Drehprozesse Elektrisches Drehspannfutter schont empfindliche Werkstücke

Von B. Denkena, H. Klemme, E. Wnendt und M. Meier

Forscher an der Leibniz-Universität Hannover und Experten von HWR Spanntechnik zeigen hier, was ein Drehspannfutter mit Spannkraftmessung für Vorteile bringt.

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Forscher aus Hannover sind mit Industriepartnern dabei ein Drehspannfutter so zu modifizieren, dass es dünnwandige Werkstücke prozesssicher und automatisch spannen kann, ohne die Bauteile zu beschädigen.
Forscher aus Hannover sind mit Industriepartnern dabei ein Drehspannfutter so zu modifizieren, dass es dünnwandige Werkstücke prozesssicher und automatisch spannen kann, ohne die Bauteile zu beschädigen.
(Bild: IFW)

Kraftspannfutter ermöglichen das schnelle Spannen von Werkstücken mithilfe hoher Spannkräfte. Für eine präzise Bearbeitung und einen sicheren Betrieb muss die Spannkraft aber regelmäßig manuell kontrolliert werden. Mit integrierter Sensorik kann diese Kontrolle entfallen. Am IFW Hannover wird deshalb zusammen mit der HWR Spanntechnik GmbH ein elektrisches Drehspannfutter zur prozessparallelen Spannkraftmessung entwickelt.

Das Potenzial von variablen Spannkräften

Zum effizienten und sicheren Spannen von Drehteilen in Werkzeugmaschinen werden kraftbetätigte Spannfutter, sogenannte Kraftspannfutter, eingesetzt. Sie ermöglichen das wiederholgenaue Fixieren von Werkstücken mit hohen Spannkräften von über 100 Kilonewton. Durch den wiederholgenauen Spannkraftaufbau eignen sich diese Systeme besonders für automatisierte Werkzeugmaschinen, die im Rahmen moderner Serienfertigungsprozesse eingesetzt werden. Für eine prozesssichere Spannung des Werkstücks werden dabei meist sehr hohe Spannkräfte benötigt. Denn ein unkontrolliertes Lösen des Werkstücks während der Drehbearbeitung wird dann vermieden. Der Einsatz hoher Spannkräfte stellt bei der Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke jedoch eine Herausforderung dar: Zu hoch eingestellte Spannkräfte führen zu bleibenden Maß- und Formabweichungen des Werkstücks, sodass geforderte Toleranzen nur unter erheblichem zusätzlichen Einrichtungsaufwand eingehalten werden können. Um das Problem zu entschärfen, bedarf es insbesondere beim Spannen dünnwandiger Werkstücke einer Möglichkeit, um die Spannkraft sehr genau einstellen zu können. Eine Grundvoraussetzung dafür ist die Kenntnis der real wirkenden Kraft.

Prozessparallele Spannkraftmessung spart Zeit

Zur Messung der anliegenden Spannkraft werden in der Regel zusätzliche Spannkraftmessgeräte eingesetzt [WEC13]. Diese müssen allerdings anstelle des Werkstücks eingespannt werden, um die wirkende Spannkraft zu ermitteln. Folglich ist eine gezielte Spannkraftkontrolle und -anpassung zwischen zwei Fertigungsschritten (etwa beim Schruppen und Schlichten) in einer einzigen Werkstückeinspannung oft nicht möglich. Eine prozessparallele Messung der real wirkenden Spannkraft und die damit verbundene Vermeidung von Umspannvorgängen bietet somit die Chance zur Verringerung von Nebenzeiten. Zusätzlich lässt sich beispielsweise beim Wechsel von Schrupp- zu Schlichtoperationen die Spannkraft gezielt reduzieren, um bleibende Werkstückverformungen gering zu halten und so die Fertigungsgenauigkeit zu erhöhen.

Aufgrund dessen wird im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundvorhabens „CyberChuck“ ein sensorisches Kraftspannfutter entwickelt und erprobt. Dieses soll die Spannkraft sowohl prozessparallel messen als auch durch integrierte Aktoren gezielt an prozessspezifische Anforderungen adaptieren können.

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.

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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.

Nutzung der Antriebsposition steigert Messgenauigkeit

Um zu überprüfen, ob hingegen die Antriebsposition zur Messung der Spannkraft geeignet ist, wurde der in Bild 2 gezeigte Prüfaufbau herangezogen.

Bild 2: Prüfaufbau zur Untersuchung der Kraftdynamik.
Bild 2: Prüfaufbau zur Untersuchung der Kraftdynamik.
(Bild: IFW)

Der Prüfaufbau besteht aus einem einzelnen Wellgetriebemotor sowie einer Gewindespindel, mit der die Rotationsbewegung des Wellgetriebemotors in eine lineare Stellbewegung in Z-Richtung übertragen wird. Der Prüfaufbau bildet somit einen der insgesamt vier Antriebsstränge der Betätigungseinheit ab (siehe wieder Bild 1 rechts). Eine Kraftmessdose vom Typ U9B der Hottinger Brüel & Kjaer GmbH erfasst die vom Motor über die Gewindespindel aufgebrachte Betätigungskraft FBetät in Z-Richtung. Weil die vier Antriebstränge im Kraftspannfutter mechanisch parallel verschaltet sind, entspricht die gemessene Betätigungskraft einem Viertel der erzielbaren Betätigungskraft des Gesamtsystems FBetät,ges. Mit dem Prüfaufbau wird somit nicht die Spannkraft selbst gemessen.

Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Im Rahmen der Versuche wurden mit dem Motor unterschiedliche Winkelpositionen mit konstanter Drehgeschwindigkeit angefahren und dabei die erzeugte Betätigungskraft FBetät erfasst.

Zur statistischen Absicherung der Versuche wurden insgesamt fünf Messvorgänge durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Bild 3 dargestellt. Das Diagramm zeigt die ermittelte Betätigungskraft FBetät in Abhängigkeit der Winkelposition ϕ. Die Winkelposition stellt das im Wellgetriebemotor integrierte Winkelmesssystem über die Digitalschnittstelle RS232 in Inkrementen (Ink) bereit. Ein Inkrement ist die kleinste Winkeländerung, die mithilfe des Messsystems erfasst werden kann. Eine vollständige Drehung der Gewindespindel um 360° entspricht dabei einer Anzahl von 400.000 Ink.

Im Rahmen der Versuche wurde mit der konstanten Drehgeschwindigkeit vDreh = 10.000 Ink pro Sekunde der Motor bis zur Winkelposition ϕ ≈ 175.000 Ink positioniert. Im Anlaufbereich bis zur Winkelposition ϕ ≈ 60.000 Ink findet ein reduzierter Kraftanstieg statt, da zunächst das Spiel des Lagers und der Gewindespindel überwunden werden muss. Für den anschließenden Bereich des Kraftanstiegs bis zur Winkelposition ϕ ≈ 175.000 Ink konnte für alle fünf Messvorgänge eine maxi-male Betätigungskraft von FBetät ≈ 12 Kilonewton erzielt werden. Bei vier Antriebssträngen entspricht dies einer theoretischen Gesamtbetätigungskraft von FBetät,ges ≈ 48 Kilonewton. Mit dem Proportionalitätsfaktor k = 2,5 zwischen der eingeleiteten Betätigungskraft und wirkender Spannkraft resultiert hieraus eine maximale Spannkraft von FSpann ≈ 120 Kilonewton.

Im Hinblick auf die angestrebte Messgenauigkeit ist in Bild 3 anhand der fünf Messvorgänge für jede Winkelposition die erzielte Standardabweichung angegeben. Zur Einhaltung einer Messabweichung von ΔFSpann,soll ≤ 150 Newton zur real wirkenden Spannkraft, muss die Grenzabweichung σGrenz gemäß Gleichung 1 erfüllt sein.

(Bild: IFW)

Dieser Grenzwert wird grundsätzlich nicht überschritten. Die maximale Messabweichung wird an der Winkelposition ϕ ≈ 175.000 Ink registriert mit einem Kraftunterschied ΔFBetät ≈ 58 Newton. Mit dem Proportionalitätsfaktor k = 2,5 zwischen der eingeleiteten Betätigungskraft und wirkender Spannkraft resultiert hieraus ein Spannkraftfehler ΔFSpann ≈ 145 Newton. Es lässt sich somit festhalten, dass durch die Nutzung des Positionssignals die Sensitivität der Spannkraftmessung im Vergleich zur antriebsstrombasierten Methode um bis zu 71 Prozent gesteigert wird. Dabei ermöglicht die antriebspositionsbasierte Messmethode eine hinreichend präzise Spannkraftmessung zur Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke.

Bild 3: Betätigungskraft in Abhängigkeit von der Winkelposition.
Bild 3: Betätigungskraft in Abhängigkeit von der Winkelposition.
(Bild: IFW)

Fazit, Ausblick und Danksagung

Vorgestellt wurde eine Methode zur Kraftmessung an Kraftspannfuttern, die auf Antriebssignalen von Motoren basiert, welche in das Kraftspannfutter integriert sind. Eine hohe Messgenauigkeit konnte mit der gemessenen Winkelposition der Motoren erzielt werden. In Hinblick auf die Spannung dünnwandiger Bauteile konnte eine Messunsicherheit von ΔFrel ≤ 0,5 Prozent erreicht werden. Eine besondere Herausforderung stellt allerdings eine hohe Sensitivität des Messprinzips mit Blick auf die Drehgeschwindigkeit dar. Um eine genaue Messung der wirkenden Kräfte auch bei schwankender Drehgeschwindigkeit sicherzustellen, wird eine steuerungsseitige Geschwindigkeitskompensation umgesetzt. Mit der Fertigstellung des gesamten Spannsystems wird dann ab Januar 2022 dessen Verhalten im Rahmen von Zerspanungsprozessen analysiert.

Die dargestellten Ergebnisse wurden im Rahmen des Verbundprojektes „CyberChuck“ (Förder-kennzeichen: 02P18K601) erarbeitet. Das Verbundprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm „KMU-innovativ: Produktionsforschung“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Ein besonderer Dank gilt dem Projektpartner HWR Spanntechnik GmbH. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Literatur

[WEC13] Weck, M.; Brecher, C. (2013) Maschinenarten und Anwendungsbereiche. Springer Vie-weg, Berlin.

[DEN21] Denkena, B.; Bergmann, B.; Wnendt, E.; Meier, M. (2021) Online Spannkraftmessung mit einem elektrischen Drehspannspannfutter. mav 2021(12) S. 51-53

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