Drehprozesse

Elektrisches Drehspannfutter schont empfindliche Werkstücke

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Energie- und zeitraubende Nebenaggregate vermeiden

Das sensorische Kraftspannfutter basiert auf dem zentrisch ausgleichenden 4-Backen-Kraftspannfutter vom Typ VT-S031 von HWR Spanntechnik. Durch einen patentierten, zentrisch ausgleichenden Spannmechanismus ist es nämlich in der Lage, sowohl zylindrische als auch prismatische Bauteile sowie geometrisch unregelmäßige Werkstücke zu fixieren. Dabei erreicht der von HWR ausgelegte Spannmechanismus eine maximale Spannkraft FSpann,max von 150 Kilonewton, sofern in den Spannmechanismus eine Betätigungskraft FBetät von 60 Kilonewton eingeleitet wird.

Der Spannmechanismus weist zwischen der eingeleiteten Betätigungskraft und der resultierenden Spannkraft entsprechend einen Proportionalitätsfaktor k von 2,5 auf. Im Rahmen des Forschungsprojekts „CyberChuck“ wird zur Einleitung der Betätigungskraft das bestehende Kraftspannfutter um eine integrierte, elektrische Betätigungseinheit erweitert. Bei diesem Ansatz entfällt eine externe Betätigung mittels eines hydraulischen Spannzylinders, sodass energie- und wartungsintensive Nebenaggregate zur Bereitstellung des benötigten Hydraulikdrucks obsolet sind.

Der Aufbau der Betätigungseinheit

Die Betätigungseinheit besteht aus vier Antriebssträngen. Jeder Antriebsstrang (Bild 1 rechts) besteht aus einem Wellgetriebemotor sowie einer Gewindespindel. Mithilfe der Gewindespindeln wird die Rotationsbewegung der Wellgetriebemotoren in eine lineare Stellbewegung übertragen. Denn eine lineare Bewegung wird benötigt, um die Ausgleichskinematik des bestehenden Kraftspannfutters zu betätigen. Die Gewindespindeln selbst sind über ein Koppelelement mechanisch parallel verschaltet, um im Verbund die benötigte Betätigungskraft zu erreichen. Zur Messung der Spannkraft sind insgesamt vier Mess- und Steuerungsplatinen im Kraftspannfutter integriert. Diese werden genutzt, um zunächst die Antriebssignale der jeweiligen Motoren nahe an der Wirkstelle zu erfassen. Eine Positionierung der Platinen in räumlicher Nähe zu den Motoren bietet dabei ein potenziell höheres Signal-Rausch-Verhältnis, was die Qualität der Antriebssignalmessung erhöht. Die Antriebssignale eines Motors setzen sich aus dem Antriebsstrom sowie aus der Winkelposition der Antriebswelle zusammen. Die gemessenen Antriebssignale bilden die Grundlage für die anschließende Bestimmung der real wirkenden Spannkraft.

Bild 1: Sensorisches Kraftspannfutter mit integrierter Betätigungseinheit.
Bild 1: Sensorisches Kraftspannfutter mit integrierter Betätigungseinheit.
(Bild: IFW)

Bei der Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke mit dem VT-S031 werden meist Spannkräfte von FSpann ≈ 3 Kilonewton bis von FSpann ≈ 75 Kilonewton genutzt. In diesem Spannkraftbereich wird eine Messabweichung zur real wirkenden Spannkraft von ΔFSpann,soll ≤ 150 Newton angestrebt. Für die minimale Spannkraft FSpann ≈ 3 Kilonewton entspricht dies einer relativen Messunsicherheit von ΔFrel ≤ 0,5 Prozent. Zum Vergleich: Die VDI-Richtlinie 3106 empfiehlt bei der Berechnung der Mindestspannkraft einen Sicherheitsaufschlag von 50 Prozent, das heißt, die Annahme einer Spannkraft mit um den Faktor 100 erhöhten Messunsicherheit.

In einer vorangegangenen Veröffentlichung wurden im Übrigen bereits die Grenzen bei der Nutzung der Antriebsströme zur Messung der Spannkraft aufgezeigt [DEN21]. Dazu wurde eine empirisch ermittelte Strom-Spannkraft-Kennlinie genutzt, um, basierend auf den gemessenen Antriebsströmen, die vorliegende Spannkraft zu berechnen. Es zeigte sich, dass mit dem antriebsstrombasierten Messansatz, unabhängig vom untersuchten Spannkraftbereich, Messabweichungen von ΔFSpann ≈ 500 Newton auftreten. Der geforderte Wert von ΔFSpann,soll ≤ 150 Newton wird somit nicht erreicht. Daher lässt sich festhalten, dass eine Messung der Antriebsströme nicht geeignet ist, um die Spannkraft hinreichend präzise zu bestimmen.

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