Massenoptimierte CFK-Spannfutter erhöhen die Drehzahlgrenzen

Die flexiblen, konventionellen Spannbackenfutter sind aufgrund der auftretenden Fliehkräfte nur unzureichend für den Einsatz bei hohen Drehzahlen geeignet. Zur Reduzierung der drehzahlabhängigen...

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Die flexiblen, konventionellen Spannbackenfutter sind aufgrund der auftretenden Fliehkräfte nur unzureichend für den Einsatz bei hohen Drehzahlen geeignet. Zur Reduzierung der drehzahlabhängigen Spannkraftschwankungen wurden massenoptimierte, kohlenstofffaserverstärkte Spannfutter und Aufsatzbacken entwickelt. Mit solchen Spannmitteln wird eine verbesserte Werkstückspannung bei erhöhten Drehzahlen beziehungsweise Schnittgeschwindigkeiten möglich. Obwohl sich die von der Hochgeschwindigkeitsfräs- und -schleifbearbeitung her bekannten Eigenschaften wie höhere Zeitspanvolumina, höhere Oberflächenqualitäten und reduzierte Schnittkräfte [1] prinzipiell auch auf die Drehbearbeitung übertragen lassen, hat sich die HSC-Drehbearbeitung bisher nicht etabliert. Die Gründe hierfür sind die im Vergleich zur Fräsbearbeitung geringeren Hauptzeiten und das ungelöste Problem einer sicheren und flexiblen Spannung der schnell rotierenden Werkstücke. Von den verfügbaren, kraftbetätigten Spannsystemen werden zur Zeit besonders Spannzangen und Spanndorne für die Werkstückspannung bei hohen Drehzahlen verwendet. Der Nachteil dieser beiden Systeme, der einen breiten Einsatz in der flexiblen, automatisierten Fertigung verhindert, ist der sehr geringe spannbare Durchmesserbereich.Zum Ausgleich des Spannkraftverlustes der weitverbreiteten und sehr flexiblen Dreibackenfutter wird eine Fliehkraftkompensation (Bild 1) über Ausgleichsmassen, die den an den Spannbacken wirksamen Fliehkräften über Hebel oder Keilflächen entgegenwirken, angeboten [2]. Prinzipbedingt erfolgt der Ausgleich durch die Schwankungen im Betriebszustand nicht optimal und durch die Spannkrafthysterese können insbesondere dünnwandige Werkstücke durch den Spannkraftanstieg während der Drehzahlverringerung irreversibel verformt werden. Darüber hinaus sind die fliehkraftkompensierten Spannfutter meist größer und schwerer als konventionelle Spannfutter [3 und 4]. Sie erreichen bei einem Futterdurchmesser von 160 mm Drehzahlen bis zu 10 000 min-1 und eignen sich besonders für die Einspannung von kleineren Werkstücken, an denen eine Schlichtbearbeitung durchgeführt werden soll [1].Bei der häufigsten Art der Werkstückspannung, radial von außen, bewirken die mit der Drehzahl quadratisch ansteigenden Fliehkräfte eine Abnahme der wirksamen Spannkräfte. Um diesen prinzipiellen Nachteil zu verringern und damit die Effektivität der Drehbearbeitung im Vergleich zu anderen Bearbeitungsverfahren zu erhöhen, sind neue, flexible Werkstückspannsysteme für höhere Spindeldrehzahlen erforderlich. Von diesen Spannsystemen wird gefordert, dass sie das Werkstück über den gesamten Drehzahlbereich sicher und mit den geforderten axialen und radialen Genauigkeiten spannen, das Werkstück in allen Belastungsrichtungen abstützen und ein schnelles Ein- und Ausspannen der Werkstücke ermöglichen. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden am IWF der TU Berlin unter Verwendung von faserverstärkten Kunststoffen Spannbacken und Spannbackenfutter entwickelt, die bei hohen Drehzahlen einen sehr geringen Spannkraftverlust aufweisen.CFK-Aufsatzbacke mit Verzahnung aus AluminiumDie massenoptimierten CFK-Aufsatzbacken (Bild 2) ermöglichen durch ihre Standardschnittstelle nach DIN 6353 eine Steigerung der Drehzahlen für konventionelle Spannfutter. Sie ist aus den zwei dünnwandigen CFK-Bauteilen Winkel und Keil sowie einer Aluminiumverzahnung aufgebaut. Die Spannfläche als Schnittstelle zum Werkstück ist in den CFK-Winkel integriert und wird, wie bei den so genannten weichen Backen üblich, in montiertem Zustand ausgedreht oder ausgeschliffen. Die radialen Steifigkeiten der CFK-Aufsatzbacken, die ausschlaggebend sind für die zentrische Einspannung des Werkstücks, schwanken um 5%. Aufgrund dieses geringen Wertes ist nachgewiesen, dass die CFK-Aufsatzbacken reproduzierbar herstellbar und für die zentrische Spannung von Werkstücken geeignet sind.Durch die geringe Aufsatzbackenmasse beträgt der Spannkraftverlust bei einer typischen Spannfuttergrenzdrehzahl von 6300 min-1 nur 20 kN (Bild 3). Dieser Wert wird mit Aufsatzbacken aus Stahl und Aluminium bereits zwischen 3500 und 5000 min-1 erreicht. Gegenüber Standardstahlaufsatzbacken wird der Spannkraftverlust um bis zu 70% und gegenüber Aluminiumaufsatzbacken um bis zu 35% reduziert. Daraus ergeben sich in Abhängigkeit von den wirksamen Prozesskräften mögliche Drehzahlsteigerungen bis zu 84%. Damit stellen die CFK-Aufsatzbacken eine kostengünstige Möglichkeit dar, um mit konventionellen Backenfuttern geringere Spannkraftverluste und damit höhere Spannkräfte bei hohen Spindeldrehzahlen zu erzielen. Im Vergleich zu Stahlaufsatzbacken ergeben sich in Abhängigkeit von den wirksamen Prozesskräften Drehzahlsteigerungen bis zu 84%. Die absoluten Drehzahlgrenzen des Spannfutters werden durch die CFK-Aufsatzbacken nicht beeinflusst, so dass eine Steigerung der Grenzdrehzahlen nur durch eine neue Gestaltung des Spannfutters möglich ist. Wie bei der Fräsbearbeitung gilt auch für die Hochgeschwindigkeitsdrehfutter, dass die kritische Beanspruchung des Futters bei hohen Drehzahlen nicht durch die Zerspankräfte, sondern durch die auftretenden Fliehkräfte verursacht wird [5]. So bieten sich für die Entwicklung von schnellrotierenden Spannfuttern Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium, Keramiken und Faserverbundwerkstoffe an. Insbesondere die gezielte Verwendung von Kohlenstofffasern in rein fliehkraftbeanspruchten Ringstrukturen ermöglicht, verglichen mit Metallen, Drehzahlsteigerungen um bis zu 150%, so dass trotz höherer Material- und Fertigungskosten wirtschaftliche Gesamtlösungen möglich werden [6].In der automatisierten Produktion sind insbesondere bei hohen Drehzahlen kraftbetätigte Drehfutter einzusetzen [2], weil die Kraftbetätigung gegenüber der Handbetätigung Vorteile wie kürzere Spannzeiten, eine höhere Sicherheit durch gleichmäßig wirkende Spannkräfte, die Möglichkeit des Nachspannens während der Bearbeitung, geringere Ausgangsspannkräfte und die Möglichkeit zur Automatisierung des Spannprozesses bietet. Aufgrund der genannten Vorteile ist auch das entwickelte, faserverbundgerechte Spannfutter als kraftbetätigtes Futter ausgeführt (Bild 4). Der Anschluss an die Drehspindel erfolgt nach DIN 6353. Die Betätigung zum Spannen und Entspannen erfolgt konventionell über eine in der Drehspindel geführte hohle Zugstange, die über einen hydraulischen oder pneumatischen Spannzylinder axial verfahren wird. Die axiale Betätigung durch die Zugstange wird über eine Keilfläche zwischen Keil und Spannbacke in eine radiale Bewegung der Spannbacken übersetzt. Aus Sicherheitsgründen ist der Keilwinkel mit 11° so gewählt, dass das Spanngetriebe selbsthemmend ist. Die Aufnahme der Spann- und Fliehkräfte erfolgt auf kurzen Wegen über den Spannkeil und den Umlenkklotz auf eine geschlossene Dreiecksbandage aus unidirektionalem CFK. Prinzipiell wurde eine derartige Bandage, die um die drei Spannbacken gelegt ist, bereits im Rahmen eines Patentes [3] für ein handbetätigtes Drehfutter vorgestellt. Um eine ausreichende und reproduzierbare Zentriergenauigkeit zu gewährleisten, sind die Umlenkklötze für das hier vorgestellte, kraftbetätigte Spannfutter zusätzlich form- und kraftschlüssig mit dem Futtergrundkörper verbunden, das heißt zwischen 45 und 60% der Spann- und Fliehkräfte werden direkt von der Bandage aufgenommen. Zur Erhöhung der Grenzdrehzahl des Futters ist der Futterkörper am Umfang zusätzlich durch einen unidirektionalen CFK-Ring verstärkt. Die Auslegung der verschiedenen Futterkomponenten sowie des gesamten Spannfutters erfolgte bis 15 000 min-1 rechnerunterstützt mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode. Geforderte Rundlauftoleranzen werden weit unterschrittenDas Bandagenfutter ist mit weichen Aluminium-Spannaufsätzen, die auf den eigentlichen Spannbacken befestigt sind, ausgestattet. Die Spannaufsätze wurden auf der Drehmaschine an den jeweiligen Spanndurchmesser durch Ausdrehen angepasst. Dadurch werden die nach DIN 6386 geforderten Rundlauf- und Planlauftoleranzen weit unterschritten.Die Bestimmung des dynamischen Spannkraftverlaufs beziehungsweise des Spannkraftverlustes (Fsp infolge der Fliehkräfte erfolgt sowohl mit Hilfe des FEM-Modells als auch experimentell (Bild 5). Der errechnete Spannkraftverlust beträgt bei der Grenzdrehzahl des Bandagenfutters von 15 000 min-1 etwa 50 kN. Zur experimentellen Ermittlung des Spannkraftverlustes wird anstelle des Werkstücks ein Spannkraftsensor mit einer Ausgangsspannkraft von 50 kN in das Bandagenfutter eingespannt und die dynamische Spannkraft in Abhängigkeit von der Drehzahl aufgezeichnet. Die Drehzahl ist im Rahmen der experimentellen Untersuchungen durch die CNC-Drehmaschine vom Typ TNS 30 der ehemaligen Traub AG auf 8000 min-1 begrenzt. Dieser Wert stellt zur Zeit für Drehmaschinen, die für eine Aufnahme von Spannfuttern bis zu einem Außendurchmesser von 200 mm vorgesehen sind, eine Obergrenze dar.Im Bereich bis 8000 min-1 ist der rechnerisch und experimentell ermittelte Spannkraftverlust im Rahmen der Messungenauigkeit von ±1 kN identisch. Bei der Grenzdrehzahl konventioneller Spannfutter mit einem Außendurchmesser von 200 mm von 6000 min-1 ergibt sich ein Spannkraftverlust von 9 kN. Das ist ein Drittel des Wertes, der sich mit konventionellen, weitverbreiteten Keilflächenfuttern ohne Fliehkraftausgleich ergibt. In dem Drehzahlbereich zwischen 6000 und 10 000 min-1 steigt der Spannkraftverlust auf maximal 20 kN an, das heißt, wenn man von einer Ausgangsspannkraft von 90 kN ausgeht, stehen noch 70 kN für die Werkstückspannung zur Verfügung. Damit ist insbesondere für die bei hohen Drehzahlen üblichen geringen Zerspankräfte eine sichere Werkstückspannung möglich. Trotz der hohen erzielbaren dynamischen Spannkräfte ist darauf hinzuweisen, dass eine fliegende Werkstückspannung im Rahmen der Hochgeschwindigkeitsdrehbearbeitung nur mit gering auskragenden Futterwerkstücken zulässig ist. Um ein Herausschleudern von weiter auskragenden Werkstücken durch eventuelle Unwuchten beziehungsweise den so genannten ,,Knüppeleffekt" zu vermeiden, ist das Werkstück in geeigneter Form durch einen Reitstock und/oder Lünetten abzustützen. Für eine sichere Werkstückspannung ist bei den stark erhöhten Drehzahlen eine rechnerische Vorausbestimmung der auftretenden Flieh- und Prozesskräfte beziehungsweise der resultierenden, erforderlichen Ausgangsspannkraft zum Beispiel nach der aktuellen VDI-Richtlinie 3106 erforderlich.CFK-Komponenten reduzieren Trägheitsmoment um 46%Durch die höheren Drehzahlen im Rahmen der Hochgeschwindigkeits-Drehbearbeitung steigen auch die Beschleunigungszeiten an, so dass das Verhältnis von Haupt- zu Nebenzeit ungünstiger wird. Eine Möglichkeit, dieser Entwicklung entgegenzuwirken, besteht in der Reduzierung der Spannfuttermasse oder des Spannfutterträgheitsmomentes. So wurde ein kraftbetätigtes Rundkolbenfutter (Bild 6) durch die Verwendung von CFK-Komponenten derart optimiert, dass die Masse um 38% auf 7,3 kg und das Trägheitsmoment um 46% auf 0,037 kgm2 reduziert werden konnte. Bei konstantem Beschleunigungsmoment wurde damit eine Verkürzung der Beschleunigungszeiten um maximal 18% erzielt.Mit den vorgestellten Spannsystemen wurde nachgewiesen, dass es durch den gezielten Einsatz von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff in Spannfuttern und deren Komponenten gelingt, die im Rahmen der Drehbearbeitung möglichen Drehzahlen signifikant zu erhöhen. Sie werden in Kombination mit leistungsstarken, hochfrequenten Drehmaschinen dazu beitragen, die Schnittgeschwindigkeiten weiter zu erhöhen und damit die Oberflächengüte beziehungsweise die Maß- und Formgenauigkeit von Drehteilen sowie die Wirtschaftlichkeit zu verbessern.Literatur[1]Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. München: Carl Hanser Verlag 1996.[2]Steinberger, J. : Spannkräfte und Spannzeuge zum Hochgeschwindigkeitsdrehen. Werkstatt und Betrieb 7/1982, S. 449-454.[3]EP 0575018B1[4]Warnecke, H. J. : Grenzdrehzahlen von Dreibackenfuttern. Dissertation Technische Hochschule Braunschweig 1963.[5]Schulz, H., und W. Huerkamp: Sichere HSC-Werkzeuge. Werkstatt und Betrieb 6/1997, S. 431-435.[6]Mette, U.: Werkstückspannsysteme aus faserverstärkten Kunststoffen für die Hochgeschwindigkeitsdrehbearbeitung. Dissertation TU Berlin 1999.