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Mechatronik öffnet neue Wege in der Zerspanung - Komet Group

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WB 7-8/2003<br />

10<br />

<strong>Mechatronik</strong> <strong>öffnet</strong> <strong>neue</strong><br />

<strong>Wege</strong> <strong>in</strong> <strong>der</strong> <strong>Zerspanung</strong><br />

Bei <strong>der</strong> Integration von Sensorik und Aktorik<strong>in</strong> <strong>Zerspanung</strong>swerkzeuge und <strong>in</strong> <strong>der</strong>en zerspa-<br />

nungstechnisches Umfeld s<strong>in</strong>d deutliche Fortschritte erreicht worden. Unternehmen und<br />

Forschungse<strong>in</strong>richtungen haben praxistaugliche Lösungen erarbeitet und erfolgreich <strong>in</strong> die<br />

betriebliche Praxis e<strong>in</strong>geführt; über <strong>in</strong>novative Werkzeugsysteme werden <strong>neue</strong> <strong>Wege</strong> <strong>der</strong><br />

<strong>Zerspanung</strong> beschriften, die <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e auch wirtschaftlich positive Effekte versprechen.<br />

FRANK BARTHELMÄ,<br />

BERND ASCHENBACH UND<br />

JENS NEUMANN<br />

• Begriffe wie <strong>in</strong>telligente Werkzeuge<<br />

o<strong>der</strong> auch >mechatronische<br />

Werkzeuge< haben mittlerweile e<strong>in</strong>en<br />

festen Platz im Vokabular <strong>der</strong><br />

Fertigungstechnik gefunden. Geme<strong>in</strong>t<br />

s<strong>in</strong>d <strong>in</strong> erster L<strong>in</strong>ie solche<br />

Werkzeuge, die durch die Integration<br />

von Sensoren und/o<strong>der</strong> Aktoren<br />

<strong>in</strong> die Lage versetzt werden,<br />

Informationen aus dem <strong>Zerspanung</strong>sprozess<br />

heraus an die Steuerung<br />

e<strong>in</strong>er Masch<strong>in</strong>e zu liefern, damit<br />

diese bei Abweichungen vom<br />

Sollzustand beziehungsweise bei<br />

Störungen entsprechend reagieren<br />

kann.<br />

Verbunden mit e<strong>in</strong>em solchen<br />

Werkzeugkonzept s<strong>in</strong>d naturgemäß<br />

Fragen <strong>der</strong> Energie- und Datenübertragung,<br />

<strong>der</strong> Ankopplung an die Steuerung<br />

<strong>der</strong> Masch<strong>in</strong>e o<strong>der</strong> auch <strong>der</strong> problemlosen<br />

Wechselbarkeit <strong>der</strong> Werkzeuge zum Beispiel<br />

<strong>in</strong> Bearbeitungszentren.<br />

Mit <strong>der</strong> Entwicklung von Lösungen für<br />

e<strong>in</strong>e berührungslose Energie- und Datenübertragung<br />

für <strong>der</strong>artige Werkzeuge s<strong>in</strong>d<br />

mittlerweile Voraussetzungen geschaffen,<br />

solche Werkzeuge auf Bearbeitungszentren<br />

für e<strong>in</strong>e Vielzahl von <strong>Zerspanung</strong>saufgaben<br />

e<strong>in</strong>zusetzen.<br />

Das Werkzeug im Regelkreis<br />

Werkzeug - Steuerung - Masch<strong>in</strong>e<br />

Im Ergebnis umfangreicher FuE-Arbeiten<br />

sowie aus Anwen<strong>der</strong>erfahrungen haben<br />

sich als globale Lösungskonzepte Regelkreise<br />

herauskristallisiert, wie sie beispiel-<br />

'<br />

D Beispiel e<strong>in</strong>es Regelkreises auf <strong>der</strong> Basis sensorischer Werkzeuge: Fräswerkzeug mit <strong>in</strong>tegriertem<br />

3-axialen Beschleunigungs- o<strong>der</strong> Kraftsensor<br />

halt <strong>in</strong> Bild l zusammengefasst s<strong>in</strong>d [1].<br />

Dabei übernehmen die Werkzeuge sensorische<br />

Funktionen; die Signale werden aus<br />

dem <strong>Zerspanung</strong>sprozess heraus - nach e<strong>in</strong>er<br />

entsprechenden Aufbereitung - an e<strong>in</strong>e<br />

Datenverarbeitungs- beziehungsweise<br />

Auswertee<strong>in</strong>heit gegeben, wo über e<strong>in</strong>e<br />

Handlungslogik Signale zur Steuerung<br />

spezifischer Masch<strong>in</strong>enparameter wie<br />

Schnittgeschw<strong>in</strong>digkeit o<strong>der</strong> Vorschub generiert<br />

werden.<br />

Mit diesen Werkzeugen ist es möglich,<br />

prozessrelevante Daten wie Beschleunigungen<br />

und <strong>Zerspanung</strong>skräfte im Prozess<br />

zu ermitteln und die Daten beziehungsweise<br />

Signale mit Hilfe <strong>der</strong> Telemetrie, also<br />

drahtlos, zu übertragen.<br />

Die nachfolgenden Beispiele zeigen sowohl<br />

die Werkzeuge als auch Möglichkeiten<br />

für Anwendungsfälle, bei denen die<br />

Vorteile dieser Entwicklungen zur Erhöhung<br />

<strong>der</strong> Genauigkeit und/o<strong>der</strong> <strong>der</strong> Prozessstabilität<br />

zum Tragen kommen.<br />

Sensor<strong>in</strong>tegrierte Werkzeuge<br />

erfassen Prozess<strong>in</strong>stabilitäten<br />

Im Folgenden s<strong>in</strong>d Werkzeuglösungen mit<br />

<strong>in</strong>tegrierten 3-axialen Beschleunigungssensoren<br />

dargestellt. Die Integration <strong>der</strong><br />

Sensorik direkt <strong>in</strong> das Werkzeug <strong>in</strong> unmittelbarer<br />

Nähe zur Zerspanstelle liefert<br />

dabei aussagekräftige Signale. Im Zusammenspiel<br />

mit den Kenntnissen zur Prozessdynamik<br />

sowie <strong>der</strong> h<strong>in</strong>terlegten Handlungslogik<br />

als Basis für die Prozessregelung<br />

wird die Möglichkeit geschaffen, plötzlich<br />

auftretende Störungen wie beispielsweise<br />

unerwünschte Schw<strong>in</strong>gungen, ungünstigen<br />

Spänefluss o<strong>der</strong> Werkstoff<strong>in</strong>homo-


genitäten zu erkennen und entsprechend<br />

zu kompensieren.<br />

Bild 2 zeigt l<strong>in</strong>ks e<strong>in</strong>en sensor<strong>in</strong>tegrierten<br />

Fräskopf, wie er von GFE Schmalkalden<br />

im Rahmen des BMBF-Verbundprojekts<br />

>Accomat - Genauigkeitsgeregelte<br />

Masch<strong>in</strong>e entwickelt, gebaut und unter<br />

HSC-Bed<strong>in</strong>gungen getestet wurde.<br />

Als Schnittstelle zur Sp<strong>in</strong>del besitzt das<br />

Werkzeug e<strong>in</strong>en HSK 63. Bei montiertem<br />

Telemetriestator werden die geometrischen<br />

Bed<strong>in</strong>gungen nach DIN 69893 e<strong>in</strong>gehalten,<br />

sodass für e<strong>in</strong>en automatischen<br />

Werkzeugwechsel auf Bearbeitungszentren<br />

ke<strong>in</strong>erlei werkzeugbed<strong>in</strong>gten E<strong>in</strong>schränkungen<br />

gelten.<br />

Das Elektronikkonzept des Messerkopfs<br />

ist bezüglich <strong>der</strong> drei Sensorkanäle breitbandig<br />

ausgelegt. Zur Erfassung des Betrags<br />

und <strong>der</strong> Lage des resultierenden<br />

Beschleunigungsvektors wurde e<strong>in</strong> dreiachsig<br />

orthogonal messen<strong>der</strong> Beschleunigungssensor<br />

kle<strong>in</strong>ster Bauform mit <strong>in</strong>tegrierten<br />

Ladungsverstärkern <strong>in</strong> IPC-Technik<br />

mittig <strong>in</strong> die orthogonal zur Drehachse<br />

stehenden, durch die Schneiden gebildete<br />

Ebene e<strong>in</strong>gesetzt<br />

Die Übertragung <strong>der</strong> Energie mit e<strong>in</strong>er<br />

Leistung von circa 8 bis 10 Watt <strong>in</strong> das<br />

Werkzeug h<strong>in</strong>e<strong>in</strong> erfolgt <strong>in</strong>duktiv, die<br />

Übertragung <strong>der</strong> modulierten HF nach<br />

außen kapazitiv unter Berücksichtigung<br />

<strong>der</strong> gesetzlichen EMV-Anfor<strong>der</strong>ungen.<br />

Der erfor<strong>der</strong>liche Übertrager sowie die<br />

Antennenanordnung bef<strong>in</strong>den sich <strong>in</strong> <strong>der</strong><br />

axial abtastbaren Telemetriespur, wodurch<br />

e<strong>in</strong>e ger<strong>in</strong>ge Werkzeuglänge realisiert werden<br />

konnte. Die gesamte konstruktive<br />

Auslegung erfolgte so, dass E<strong>in</strong>satzdreh-<br />

zahlen bis circa 18 000 m<strong>in</strong>- 1 problemlos,<br />

vor allem auch im H<strong>in</strong>blick auf die Sicherheit,<br />

möglich s<strong>in</strong>d. Weiterh<strong>in</strong> wurde<br />

e<strong>in</strong>e prozesssichere Abdichtung <strong>der</strong> Elektronike<strong>in</strong>bauten<br />

gegen Kühlschmierstoffe<br />

<strong>der</strong> IKZ bis zu e<strong>in</strong>em Druck des KSS von<br />

70 bar nachgewiesen.<br />

Dynamische Beson<strong>der</strong>heiten von<br />

Aufsteckfräsern s<strong>in</strong>d berücksichtigt<br />

Auf <strong>der</strong> rechten Bildseite von Bild 2 ist e<strong>in</strong>e<br />

weitere GFE-Entwicklung dargestellt.<br />

Es handelt sich um e<strong>in</strong>en sensor<strong>in</strong>tegrierten<br />

Aufsteckfräser. Der Sensore<strong>in</strong>bau erfolgte<br />

dabei <strong>in</strong> den Aufnahmedorn, sodass<br />

sich mit e<strong>in</strong>em Grundkörper Aufsteckfräser<br />

verschiedener Größen e<strong>in</strong>setzen lassen.<br />

H<strong>in</strong>tergrund dieser Entwicklung ist es<br />

außerdem, die dynamischen Beson<strong>der</strong>heiten<br />

zu berücksichtigen, die beim E<strong>in</strong>satz<br />

von Aufsteckfräsern bed<strong>in</strong>gt durch das<br />

stets vorhandene Passungsspiel des Werkzeugs<br />

zum Aufnahmedorn entstehen. Bekanntlich<br />

erfolgt bei hohen Drehzahlen e<strong>in</strong>e<br />

elastische Aufweitung des Fräsers auf<br />

dem Aufnahmedorn und damit e<strong>in</strong>e Verän<strong>der</strong>ung<br />

<strong>der</strong> Fügeverhältnisse, wodurch<br />

sich die statischen und vor allem die dynamischen<br />

Eigenschaften <strong>der</strong> Werkzeuge<br />

verän<strong>der</strong>n.<br />

Gegenüber dem Signalübertragungskonzept<br />

im oben beschriebenen HSC-<br />

Kopf wurde die Signalbandbreite auf circa<br />

4 kHz je Sensorkanal verr<strong>in</strong>gert, wodurch<br />

<strong>der</strong> Platz sparende E<strong>in</strong>satz nur noch e<strong>in</strong>es<br />

Sen<strong>der</strong>s möglich wurde.<br />

Die gewählten Telemetriekonzepte realisieren<br />

die gefor<strong>der</strong>ten Eigenschaften auch<br />

Sensor<strong>in</strong>tegrierte Messerkopffräser<br />

HSC-Planfräskopf<br />

Geometrie nach DIN 69893<br />

- 8 PKD-Schneiden. Durchmesser<br />

HSK63.ca 18.000 U/m<strong>in</strong><br />

- IKZ mit bis zu 70 bar<br />

- G 2,5 nach ISO 1940<br />

'• Eigenschaften<br />

ger<strong>in</strong>gere Flexibilität<br />

ke<strong>in</strong>e Relativbewegungen<br />

Mess- und Telemetriedaten<br />

-175g Beschleunigung <strong>in</strong><br />

3 orthogonalen Achsen<br />

- 3 x 20kHz Bandbreite<br />

- Energieversorgung durch<br />

Induktivspeisung<br />

-EMV-sicher<br />

Aufnahmedom für Aufsteckfräser<br />

Eigenschaften<br />

- hohe Flexibilität<br />

- verm<strong>in</strong><strong>der</strong>te Stabilität<br />

- Relativbewegungen <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Aufnahme<br />

E<strong>in</strong>setzbar mit:<br />

- Walzenstirnfräser DIN 841<br />

- W<strong>in</strong>kelstirnfräser DIN 842<br />

Universelle Systemnutzbarkeit, aber e<strong>in</strong>heitliches Schnittstellenkonzept<br />

l Die gewählten Telemetriekonzepte bewähren sich auch unter extremen Bed<strong>in</strong>gungen<br />

- Walzenstirnfräser DIN 1880<br />

unter extremen Bed<strong>in</strong>gungen, was die umfassenden<br />

Tests <strong>der</strong> beschriebenen Werkzeuge<br />

sowohl im Versuchsfeld als auch bei<br />

<strong>der</strong> Anwendung für konkrete E<strong>in</strong>satzfalle<br />

gezeigt haben, beispielsweise bei <strong>der</strong> Bearbeitung<br />

von Bauteilen aus <strong>der</strong> Automobil<strong>in</strong>dustrie.<br />

So bewährte sich <strong>der</strong> sensor<strong>in</strong>tegrierte<br />

Messerkopf beim HSC-Fräsen von Dichtflächen<br />

an Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>köpfen aus AlSi9.<br />

Bild 3 zeigt e<strong>in</strong>en Bearbeitungsfall mit<br />

dem sensorischen Aufsteckfräser.<br />

Bei <strong>der</strong> Bearbeitung e<strong>in</strong>es Zyl<strong>in</strong><strong>der</strong>kopfs<br />

mit sensor<strong>in</strong>tegrierten Werkzeugen ist es<br />

INSTITUTE<br />

GFE - Gesellschaft für Fertigungstech-<br />

nik und Entwicklung e.V.,<br />

98574 Schmalkalden,<br />

Tel. 0 36 83/69 00 20,<br />

Fax 0 36 83/69 00 31,<br />

www.gfe-schmalkalden.de<br />

PTW - Institut für Produktions-<br />

management, Technologie und Werk-<br />

zeugmasch<strong>in</strong>en <strong>der</strong> TU Darmstadt,<br />

64287 Darmstadt,<br />

Tel. 0 61 51/16-21 56,<br />

Fax 0 61 51/16-33 56,<br />

www.ptw.masch<strong>in</strong>enbau.tu-darmstadt.de<br />

möglich, sowohl bei relativ stabilen Bereichen<br />

(als »Abschnitt l < im Bild 4 gekennzeichnet)<br />

als auch <strong>in</strong>stabilen Bereichen<br />

(>Abschnitt 2< - dünnwandig, schmale<br />

Stege und Rippen und damit zu Schw<strong>in</strong>gungen<br />

neigend) unter HSC-Bed<strong>in</strong>gungen<br />

die Zerspanparameter im laufenden Prozess<br />

so anzupassen, dass die gefor<strong>der</strong>ten<br />

Qualitätskriterien (zum Beispiel Rauheiten)<br />

bei Gewährleistung <strong>der</strong> Wirtschaftlichkeit<br />

des Gesamtprozesses stets sicher<br />

erreicht werden.<br />

Die Aktionskraft wird <strong>in</strong> direkter<br />

Nähe <strong>der</strong> Schneide gemessen<br />

Neben den bereits dargestellten Beispielen<br />

sensorischer Werkzeuge für Messerköpfe<br />

o<strong>der</strong> Aufsteckfräser gibt es Bearbeitungsfälle<br />

mit Werkzeugen, bei denen e<strong>in</strong>e<br />

direkte Integration von Sensorik beziehungsweise<br />

Elektronik aus technologischen<br />

o<strong>der</strong> wirtschaftlichen Gründen<br />

nicht s<strong>in</strong>nvoll ist. Geme<strong>in</strong>t s<strong>in</strong>d Werkzeu-<br />

ge kle<strong>in</strong>erer Bauart respektive Durchmes-<br />

serbereiche wie Bohrer, Schaftfräser o<strong>der</strong><br />

Gew<strong>in</strong>dewerkzeuge, die zudem relativ<br />

schnell verschleißen und bei denen von<br />

daher e<strong>in</strong>e Integration <strong>der</strong> Sensoren <strong>in</strong>s<br />

Werkzeug nicht <strong>in</strong> Frage kommt Den-<br />

WB 7-8/2003<br />

11


El Bearbeitung mit sensorischem Aufsteckfräser<br />

WB 7-8/2003<br />

12<br />

noch s<strong>in</strong>d auch für diese Bearbeitungsoperationen<br />

die Kenntnis und Analyse solcher<br />

Kenngrößen wie zum Beispiel <strong>der</strong><br />

Zerspankraftkomponenten, Drehmomente<br />

o<strong>der</strong> Schw<strong>in</strong>gungen für die Charakterisierung<br />

des <strong>Zerspanung</strong>sprozesses<br />

und gleichzeitig als Basis für e<strong>in</strong>e entsprechende<br />

Prozessregelung im geschlossenen<br />

Regelkreis notwendig.<br />

Ebenfalls im Verbundprojekt Accomat<br />

wurde deshalb vom PTW Darmstadt e<strong>in</strong>e<br />

spezielle Werkzeugaufnahme entwickelt,<br />

wobei die Aktionskraft <strong>in</strong> direkter Nähe<br />

<strong>der</strong> Schneide gemessen werden kann und<br />

so gewährleistet ist, dass man e<strong>in</strong>e bestmögliche<br />

Signalgüte erhält, ohne gleichzeitig<br />

den Zerspanprozess e<strong>in</strong>zuschränken<br />

o<strong>der</strong> zu gefährden [2].<br />

Bild 5 zeigt die sensor<strong>in</strong>tegrierte Werkzeugaufnahme<br />

für die Bearbeitungsverfahren<br />

Bohren, Gew<strong>in</strong>den und Fräsen mit<br />

langkragenden Werkzeugen im E<strong>in</strong>satz bei<br />

<strong>der</strong> HSC-Bearbeitung [3].<br />

Die oben genannten Beispiele zeigen,<br />

dass man mit <strong>der</strong> Entwicklung und dem<br />

E<strong>in</strong>satz sensorischer Werkzeuge und<br />

Aufnahmen e<strong>in</strong> wesentliches Stück vorangekommen<br />

ist <strong>in</strong> <strong>der</strong> In-Process-Charakterisierung<br />

von Kenngrößen des <strong>Zerspanung</strong>sprozesses<br />

und <strong>der</strong> anschließenden<br />

Generierung, Übertragung und Verarbeitung<br />

<strong>der</strong> entsprechenden Signale für e<strong>in</strong>e<br />

Regelung des Gesamtprozesses über die<br />

Bearbeitungsmasch<strong>in</strong>e. Die Umsetzung<br />

beziehungsweise Applikation <strong>der</strong> Erkenntnisse<br />

und Erfahrungen auf weitere<br />

E<strong>in</strong>satzfälle wird <strong>der</strong>zeit weiter ausgebaut<br />

Aktorische Werkzeuge realisieren<br />

die Verstellbewegungen selbst<br />

Aktorische Werkzeuge haben seit e<strong>in</strong>iger<br />

Zeit E<strong>in</strong>gang <strong>in</strong> die fertigungstechnische<br />

Praxis gefunden. Die flexible Bearbeitung<br />

von Konturen o<strong>der</strong> Flächen und Formelementen,<br />

bei denen höchste For<strong>der</strong>ungen<br />

an die Genauigkeit gestellt werden, s<strong>in</strong>d<br />

Anwendungsbereiche, <strong>in</strong> denen aktorische<br />

Aussteuerwerkzeuge zum E<strong>in</strong>satz kommen.<br />

Beispiele dafür f<strong>in</strong>den sich bei <strong>der</strong><br />

Bearbeitung von Ventilsitzen und -fuhrungen,<br />

bei <strong>der</strong> Herstellung von Kolbenbolzen<br />

o<strong>der</strong> Hydraulikkomponenten.<br />

Aufbauend auf den Erfahrungen bei <strong>der</strong><br />

Entwicklung und dem E<strong>in</strong>satz mechanisch<br />

gesteuerter Aussteuerwerkzeuge s<strong>in</strong>d die<br />

mechatronischen Werkzeuge dadurch gekennzeichnet,<br />

dass über den E<strong>in</strong>bau spezieller<br />

Elektronik und e<strong>in</strong>er berührungslos<br />

arbeitenden Daten- beziehungsweise<br />

Energieübertragung e<strong>in</strong>e E<strong>in</strong>b<strong>in</strong>dung <strong>in</strong><br />

den Regelkreis Werkzeug - Steuerung -<br />

Rauhtiefenverteilung an e<strong>in</strong>er Dichtfläche<br />

als Funktion <strong>der</strong> Drehzahl und des<br />

Vorschubes<br />

l<br />

Abschnitt 1<br />

Regelbarkeit über die Masch<strong>in</strong>ensteuerung,<br />

zum Beispiel bei Störungen im<br />

Gesamtsystem, mit <strong>der</strong>artigen Werkzeugen<br />

e<strong>in</strong>e außerordentlich hohe Flexibilität<br />

bei den zu bearbeitenden Werkstückformen<br />

beziehungsweise Konturen realisiert<br />

werden kann.<br />

Die <strong>in</strong> den Bil<strong>der</strong>n 6 und 7 dargestellten<br />

Lösungen zeigen e<strong>in</strong>ige Beispiele für<br />

solche mechatronischen Werkzeuge, wie<br />

sie unter an<strong>der</strong>em bei <strong>der</strong> Bearbeitung <strong>in</strong><br />

<strong>der</strong> Autombil Industrie (beispielsweise für<br />

die Ventilsitz- und Ventilführungsbearbeitung)<br />

Anwendung f<strong>in</strong>den.<br />

Mit den Entwicklungen auf dem Gebiet<br />

Rauhtiefe R² <strong>in</strong> µm als f(Drehzahl,Vorschub) Im Abschnitt 2<br />

D Gefor<strong>der</strong>te Qualitätskriterien stets sicher ereicht: Ergebnisse (Rautiefenverteilung) bei <strong>der</strong> Be-<br />

arbeitung mit sensor<strong>in</strong>tegriertem Messerkopf<br />

Werkzeugmasch<strong>in</strong>e erfolgt. Die aktorischen<br />

Elemente realisieren dabei die Verstellbewegungen<br />

im Werkzeug selbst, sodass<br />

neben dem wichtigen Aspekt <strong>der</strong><br />

El Sensor<strong>in</strong>tegrierte Werkzeugaufnahme im<br />

E<strong>in</strong>satz bei <strong>der</strong> HSC-Bearbeitung: Bild: PTW<br />

<strong>der</strong> aktorischen Werkzeuge <strong>in</strong> den letzten<br />

Jahren hat sich <strong>der</strong> Funktionsumfang solcher<br />

Werkzeuge enorm erweitert.<br />

Hierzu zählen beispielsweise die Herstellung<br />

komplizierter Konturen durch<br />

Plan- beziehungsweise Ausdrehen, die flexible<br />

und geregelte Herstellung nichtzyl<strong>in</strong>drischer<br />

Bohrungen o<strong>der</strong> die Bearbeitung<br />

<strong>in</strong>nenliegen<strong>der</strong> Kugelformen, um nur<br />

e<strong>in</strong>ige prädest<strong>in</strong>ierte Anwendungsfälle solcher<br />

aktorischen Werkzeuge zu nennen.<br />

Die gestiegenen Anwen<strong>der</strong>for<strong>der</strong>ungen,<br />

die <strong>in</strong>terdiszipl<strong>in</strong>äre Zusammenarbeit<br />

zwischen Werkzeugherstellern und -anwen<strong>der</strong>n<br />

sowie Forschungse<strong>in</strong>richtungen<br />

und nicht zuletzt die Entwicklungsaktivitäten<br />

<strong>in</strong> den Unternehmen, <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

<strong>der</strong> Werkzeughersteller, haben dazu beigetragen,<br />

dass auf diesem Gebiet


WB 7-8/2003<br />

14<br />

solche zukunftsweisenden Ergebnisse<br />

erreicht wurden, wie sie zum Beispiel<br />

im Teilprojekt >Intelligente Werkzeuge< im<br />

BMBF-Projekt Accomat - Genauigkeitsgeregelte<br />

Masch<strong>in</strong>e erarbeitet und vorgestellt<br />

wurden [2].<br />

Werkzeuge mit flexiblen und auch während<br />

des Zerspanprozesses modifizierbaren<br />

und somit optimierbaren Eigenschaften<br />

ermöglichen es, die Leistungsfähigkeit beziehungsweise<br />

Stabilität des <strong>Zerspanung</strong>sprozesses<br />

weiter zu erhöhen.<br />

In-Process-Schneidenmodifikation<br />

erfolgt auf aktorischem <strong>Wege</strong><br />

Bei mehrschneidigen Werkzeugen, zum<br />

Beispiel Fräsköpfen, ist es üblich, zur<br />

Verkürzung <strong>der</strong> Bearbeitungszeiten bei<br />

D Aussteuerwerkzeug >Tooltronic< -System:<br />

Bild: Mapal<br />

gleichzeitig hohen Genauigkeitsfor<strong>der</strong>ungen<br />

Wendeschneidplatten sowohl mit<br />

Schrupp- als auch Schlicht- und Breitschlichtschneidengeometrien<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em<br />

Werkzeug zu komb<strong>in</strong>ieren. E<strong>in</strong>e entsprechend<br />

notwendige Schneidene<strong>in</strong>stellung<br />

vor dem E<strong>in</strong>satz <strong>der</strong> Werkzeuge ist dabei<br />

e<strong>in</strong>erseits sehr aufwändig und an<strong>der</strong>erseits<br />

nicht imstande, bereits im Vorfeld auf im<br />

Prozess auftretende mögliche Störungen<br />

wie mechanische Instabilitäten <strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung<br />

mit hohen Zerspankräften, Maßabweichungen<br />

und <strong>der</strong>gleichen zu reagieren.<br />

Von daher bedeutet diese Pre-Process-<br />

E<strong>in</strong>stellung <strong>der</strong> Werkzeuge also zumeist<br />

nur e<strong>in</strong>en Kompromiss auf dem Weg zur<br />

Erreichung hoher Spanleistungen, ger<strong>in</strong>gem<br />

Werkzeugverschleiß und den Qualitätsanfor<strong>der</strong>ungen<br />

an das Werkstück.<br />

Dank <strong>der</strong> Entwicklung von Werkzeuglösungen<br />

mit im Prozess modifizierbaren<br />

Schneidengeometrien ist man <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage,<br />

e<strong>in</strong>zelne Werkzeugschneiden so zue<strong>in</strong>an<strong>der</strong><br />

zu verstellen, dass die Verstellung <strong>in</strong><br />

Abhängigkeit von aus dem Prozess generierten<br />

Stellsignalen erfolgt.<br />

Basis für <strong>der</strong>artige Entwicklungen, die<br />

<strong>der</strong>zeit an <strong>der</strong> GFE Schmalkalden voran-<br />

getrieben werden, bilden nicht nur die Erkenntnisse<br />

über die Wirkungsweise sensorischer<br />

beziehungsweise aktorischer Funktionselemente<br />

<strong>in</strong> Verb<strong>in</strong>dung mit<br />

<strong>Zerspanung</strong>swerkzeugen; auch die Verfügbarkeit<br />

entsprechen<strong>der</strong> mechatronischer<br />

Komponenten sowie Lösungen zur (drahtlosen)<br />

Energie- und Datenübertragung stehen<br />

im Mittelpunkt des Interesses.<br />

Das Funktionspr<strong>in</strong>zip beziehungsweise<br />

<strong>der</strong> konzeptionelle Aufbau e<strong>in</strong>es Werkzeugs,<br />

mit dem die In-Process-Schneidenmodifikation<br />

auf aktorischem <strong>Wege</strong> möglich<br />

ist, zeigt schematisch Bild 8.<br />

Die Verstellung e<strong>in</strong>zelner Funktionsschneiden<br />

zue<strong>in</strong>an<strong>der</strong> erfolgt durch <strong>in</strong> den<br />

Werkzeuggrundkörper <strong>in</strong>tegrierte hydraulisch,<br />

elektrochemisch, piezoelektrisch<br />

o<strong>der</strong> magnetostriktiv arbeitende Antriebse<strong>in</strong>heiten<br />

mit den gefor<strong>der</strong>ten statischen<br />

und dynamischen Eigenschaften<br />

und entsprechen<strong>der</strong> Baugröße. Die<br />

Schneidplattenverstelle<strong>in</strong>heit wird mit<br />

geeigneten Getriebe- beziehungsweise<br />

Kraftübertragungsanordnungen sowie<br />

entsprechenden Klemmvorrichtungen zur<br />

Erreichung höchster Steifigkeit, <strong>in</strong>sbeson<strong>der</strong>e<br />

<strong>in</strong> axialer Richtung, realisiert<br />

Die notwendige Werkzeug- und CNCseitige<br />

Elektronik setzt sich aus handelsüblichen<br />

beziehungsweise angepassten<br />

E<strong>in</strong>heiten <strong>der</strong> Telemetrie, <strong>der</strong> Energieübertragung,<br />

<strong>der</strong> Ansteuerung <strong>der</strong> Sensorik<br />

Mechatronisches >KomTronic-U


ist <strong>in</strong> Bezug auf die Unwuchtproblematik<br />

im System Werkzeug - Spannzeug - Sp<strong>in</strong>del<br />

- Masch<strong>in</strong>e zu sehen. Die auf Schwerpunktverlagerungen<br />

zurückzuführenden<br />

Unwuchten zum Beispiel bei e<strong>in</strong>schneidigen<br />

Werkzeugen wie Aus- und Fe<strong>in</strong>bohrwerkzeugen<br />

können zu Prozess<strong>in</strong>stabilitäten<br />

fuhren und s<strong>in</strong>d damit Ursachen unter<br />

an<strong>der</strong>em für Maß-, Form- und Lageabweichungen<br />

<strong>der</strong> erzeugten Werkstückgeometrie,<br />

verstärkte Lagerbelastung <strong>der</strong><br />

Sp<strong>in</strong>deln durch steigende Schw<strong>in</strong>ggeschw<strong>in</strong>digkeiten,<br />

verr<strong>in</strong>gerte Werkzeugstandzeiten<br />

und verm<strong>in</strong><strong>der</strong>te Laufruhe im<br />

Gesamtsystem. Weiterh<strong>in</strong> resultiert aus<br />

fertigungsbed<strong>in</strong>gten Restexzentrizitäten,<br />

die <strong>in</strong> <strong>der</strong> Komb<strong>in</strong>ation aus <strong>Zerspanung</strong>swerkzeugen,<br />

Werkzeugaufnahme und gegebenenfalls<br />

Adapter auftreten, e<strong>in</strong> zusätzlicher<br />

Unwuchte<strong>in</strong>fluss, <strong>der</strong> nur dann<br />

kompensierbar ist, wenn das Werkzeug als<br />

Komb<strong>in</strong>ation gewuchtet wird.<br />

Als e<strong>in</strong> möglicher Lösungsansatz für<br />

diese Problematik wurde im Rahmen e<strong>in</strong>es<br />

FuE-Projekts <strong>der</strong> GFE e<strong>in</strong> telemetriebasiertes<br />

mechatronisches Wuchtmodul<br />

entwickelt, das <strong>in</strong> <strong>der</strong> Lage ist, über e<strong>in</strong>en<br />

aktorischen <strong>in</strong>ternen Massenausgleich die<br />

Kompensation <strong>der</strong> Unwuchten bei schnell<br />

drehenden Werkzeugen, zum Beispiel bei<br />

Aus- und Fe<strong>in</strong>bohrwerkzeugen, vorzunehmen<br />

[4].<br />

Die Ansteuerung des Wuchtmoduls erfolgt<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>em def<strong>in</strong>ierten Regelkreis, <strong>in</strong><br />

dem die Signale <strong>der</strong> Werkzeug- beziehungsweise<br />

sp<strong>in</strong>delseitig erzeugten<br />

Schw<strong>in</strong>gungen über e<strong>in</strong>e Messkette zur<br />

(triaxialen) Beschleunigungsmessung erfasst<br />

und zur Steuerung des Antriebs <strong>der</strong><br />

Auswuchtelemente verarbeitet werden.<br />

Die def<strong>in</strong>ierte Verfahrbewegung <strong>der</strong><br />

Auswuchtelemente erfolgt dann bis zum<br />

Erreichen von Grenzwertvorgaben <strong>der</strong><br />

Schw<strong>in</strong>ggeschw<strong>in</strong>digkeiten.<br />

mechatronisches<br />

Wuchtmodul<br />

10 Mechatronisches Wuchtmodul mit HSC-Ausbohrwerkzeug<br />

Bild 9 zeigt schematisch den Komplettaufbau<br />

des Gesamtsystems, das aus den<br />

Hauptkomponenten Wuchtmodul und<br />

Telemetriemodul besteht.<br />

Das Wuchtmodul ist bezüglich <strong>der</strong><br />

Werkzeug- und sp<strong>in</strong>delseitigen Schnittstelle<br />

modular aufgebaut, das heißt, neben<br />

dem HSK A63 DIN 69893, wie er bei <strong>der</strong><br />

<strong>in</strong> <strong>der</strong> GFE realisierten Lösung zum E<strong>in</strong>-<br />

9 Komplettaufbau e<strong>in</strong>es mechatronischen<br />

Wuchtmoduls für Aus- und Fe<strong>in</strong>bohrwerkzeuge<br />

satz kommt, erlaubt <strong>der</strong> Aufbau auch an<strong>der</strong>e<br />

Schnittstellen, etwa Capto o<strong>der</strong> ABS.<br />

Bild 10 zeigt den Komplettaufbau des<br />

mechatronischen Wuchtmoduls mit e<strong>in</strong>em<br />

HSC-Aus- beziehungsweise -Fe<strong>in</strong>bohrwerkzeug<br />

mit HSK 63.<br />

Im <strong>der</strong>zeitigen Entwicklungsstand wird<br />

e<strong>in</strong>e theoretische Auflösung <strong>der</strong> Verfahrbewegung<br />

<strong>der</strong> Auswuchtmassen von 1,8 um<br />

radialem Weg bei e<strong>in</strong>em Verfahrweg von<br />

10 mm radial und e<strong>in</strong>em radialen Mittenabstand<br />

<strong>der</strong> Auswuchtgewichte von 31 mm<br />

erreicht. In weiteren Ausbaustufen ist e<strong>in</strong>e<br />

Auflösung bis zu 0,6 um radialem Weg<br />

realisierbar.<br />

In den bisher hierzu durchgeführten<br />

Versuchen ließ sich nachweisen, dass man<br />

Werkzeugschnittstelle<br />

e<strong>in</strong>stellbares<br />

Ausbohrwerkzeug<br />

mit <strong>der</strong>artigen mechatronischen Lösungen<br />

die aus dem <strong>Zerspanung</strong>sprozess resultierenden<br />

Instabilitäten gezielt vermeiden<br />

kann. Mit <strong>der</strong> Weiterentwicklung <strong>der</strong><br />

sensorischen und aktorischen Komponenten<br />

e<strong>in</strong>erseits sowie des Basiswissens<br />

über die technisch-technologischen Zusammenhänge<br />

des <strong>Zerspanung</strong>sprozesses<br />

bezogen auf den jeweiligen Anwendungsfall<br />

an<strong>der</strong>erseits wird sich gerade auf diesem<br />

Gebiet für die Zukunft noch e<strong>in</strong> breites<br />

Betätigungsfeld bieten.<br />

Ermutigen<strong>der</strong> Ausblick<br />

Die E<strong>in</strong>satzgebiete mechatronischer Werkzeuglösungen<br />

als bestimmende Komponenten<br />

im Regelkreis Werkzeug - Steuerung<br />

- Masch<strong>in</strong>e reichen bereits weit über<br />

die E<strong>in</strong>satzfälle <strong>in</strong> <strong>der</strong> Automobil<strong>in</strong>dustrie<br />

h<strong>in</strong>aus, <strong>neue</strong> E<strong>in</strong>satzfel<strong>der</strong>, etwa im Flugzeug-<br />

o<strong>der</strong> Schiffbau, werden <strong>der</strong>zeit erschlossen.<br />

Aufschlussreich wird es auch<br />

se<strong>in</strong>, wie aus <strong>der</strong> Sicht von Werkzeugherstellern<br />

und Anwen<strong>der</strong>n <strong>der</strong> weitere Trend<br />

im H<strong>in</strong>blick auf diese technisch wie auch<br />

wirtschaftlich viel versprechenden Entwicklungen<br />

gesehen wird. E<strong>in</strong> aktueller<br />

Trendbericht, den GFE Schmalkalden und<br />

PTW Darmstadt <strong>der</strong>zeit vorbereiten, wird<br />

<strong>in</strong> e<strong>in</strong>er <strong>der</strong> nächsten Ausgaben von >WB<<br />

ersche<strong>in</strong>en. Zudem wird auch die EMO im<br />

Oktober e<strong>in</strong>iges an Neuheiten auf diesem<br />

Gebiet bereithalten.<br />

LITERATUR<br />

1 Barthelmä, F.; Aschenbach, B.: Intelligente<br />

Werkzeugkonzepte durch Sensor- und Aktor<strong>in</strong>tegration.<br />

5. Schmalkal<strong>der</strong> Werkzeugtagung<br />

06./07. November 2002, Tagungsband<br />

2 Spath, D. (Hrsg.): ACCOMAT - Die Genauigkeitsgeregelte<br />

Masch<strong>in</strong>e, Abschlussbericht BMBF<br />

- Leitprojekt ACCOMAT, wbk, Uni Karlsruhe,<br />

2002<br />

3 Abele,E.; Weigold, M.; Versen, A.; Kreis, M.:<br />

Echtzeit-Prozess-Überwachung und Stabilisierung<br />

bei <strong>der</strong> Hochgeschw<strong>in</strong>digkeitsbearbeitung.<br />

Adaptronic Congress 2003,01.-03. April<br />

4 Barthelmä, F.; Neumann,).: Telemetriebasiertes<br />

aktorisches Wuchtmodul für HSC-Aus- und<br />

Fe<strong>in</strong>bohrwerkzeuge. Jahresbericht 2002, GFE<br />

e.V., Schmalkalden<br />

Dipl.-Ing. Frank Barthelmä ist<br />

Institutsleiter des Instituts für Werkzeugtechnik<br />

und Qualitätsmanagement (IWQ)<br />

<strong>der</strong> GFE Schmalkalden;<br />

f.barthelmae@gfe-net.de<br />

Dipl.-Ing. Bernd Aschenbach und Dipl.-Ing.<br />

Jens Neumann s<strong>in</strong>d wissenschaftliche Mitarbeiter<br />

im Bereich Werkzeugtechnik des Instituts<br />

<strong>der</strong> GFE Schmalkalden

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