Mechatronik öffnet neue Wege in der Zerspanung - Komet Group
Mechatronik öffnet neue Wege in der Zerspanung - Komet Group
Mechatronik öffnet neue Wege in der Zerspanung - Komet Group
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
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