Feingefühl beim Schleifen Mit sensorischer Spindel zum Werkzeugschleifen ohne Stützlünette

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Beim Schleifen lang auskragender Werkzeuge wird oft eine Abstützlünette zur Verminderung der Durchbiegung genutzt. Forscher arbeiten momentan daran, bei diesem Schleifprozess ohne Lünette auszukommen.

Das Schleifen lang auskragender Werkzeuge hat wegen der Abstützlünette einen erheblichen Einrichtaufwand und damit eine verringerte Produktivität zur Folge. Um ein Schleifen lang auskragender Werkzeuge auch ohne eine Abstützlünette zu ermöglichen und somit die Produktivität zu steigern, wird am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover in Kooperation mit dem Maschinenhersteller Vollmer Werke Maschinenfabrik GmbH eine Werkstück-Abdrängungskompensation auf Basis einer sensorischen Spindel erforscht.

Trotz Werkstückabdrängung hohe Zustellung und Vorschübe möglich

Bei der Schleifbearbeitung von lang auskragenden Vollhartmetallwerkzeugen für das Fräsen und Bohren wird die Spannut in einem Schliff gefertigt. Der sogenannte Tiefschliff bedarf einer hohen Zustellung, sodass aufgrund des hohen Vorschubs v_f hohe Prozesskräfte auf den Werkzeugrohling wirken (Bild 2). Die radial wirkende Abdrängungskraft F_N führt dabei zur Abdrängung Δw(l) des Werkzeugrohlings in Abhängigkeit der Position des Schleifscheibeneingriffs. Die Abdrängung führt wiederum zu Geometriefehlern und somit zu Ausschuss.

Aktuell wird insbesondere bei Werkstücken mit hohem Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis (L/D > 8) eine Lünette (nicht abgebildet) zur Aufnahme der Prozesskräfte verwendet. Das Einrichten der Lünette erfordert jedoch einen hohen manuellen Aufwand. Alternativ kann eine Reduzierung der Werkstückabdrängung durch eine Verringerung des Vorschubs erzielt werden. Allerdings muss der Vorschub iterativ an die jeweilige Werkstückgeometrie angepasst werden, wodurch auch die Produktivität sinkt. Um dennoch die Formgenauigkeit des Werkstücks bei gleichzeitig hoher Produktivität zu erzielen, wird am IFW ein neuartiger Ansatz zur echtzeitfähigen Abdrängungskompensation erforscht. Auf Basis einer kraftsensitiven Schleifspindel wird ein Ansatz zur Online-Abdrängungskompensation durch Messung der Prozesskräfte untersucht. Die berechnete Abdrängung wird dabei durch eine angepasste Achszustellung des Werkzeugs im NC-Code während des Prozesses kompensiert.

Eine kraftsensitive Schleifspindel ist die Lösung

Für die Umsetzung der kraftsensitiven Schleifspindel wurden Dehnungsmessstreifen (DMS) ausgewählt, da diese einen geringen Bauraumbedarf für die Strukturintegration aufweisen und die Steifigkeit der Maschinenstruktur nicht negativ beeinflussen. Um die Auflösung weiter zu steigern, werden hochsensitive Halbleiter-DMS verwendet. Durch die DMS können die aufgrund äußerer Belastungen auftretenden Dehnungen der Spindelwelle gemessen und anschließend auf die äußere Belastung zurück geschlossen werden. Mittels der Finite-Elemente Methode wurden zuvor geeignete Sensorpositionen mit hohen Dehnungen auf der Spindelwelle nahe den Lagerstellen identifiziert (Bild 3a). Durch eine angepasste Freistichgeometrie des Lagerabsatzes konnte zudem die Dehnungsverteilung optimiert werden. In den Freistich wurden vier Halbleiter-DMS des Typs SSGF-060-033-500PB-M4 des Herstellers Haptica auf dem Umfang im Abstand von 90° appliziert (Bild 3a). Es wurden vier weitere Aussparungen symmetrisch auf dem Umfang der Welle für die Aufnahme der elektrischen Peripherie (Auswerteplatine, Akku, Sendeeinheit und Energiemanagement) eingebracht (Bild 3b). Dadurch können die Messdaten kontaktlos übertragen und im Stillstand der Schleifspindel der Akku zur Energieversorgung der Messtechnik geladen werden. Die DMS 1 und 3 sind mit der Hauptdehnungsrichtung in X-Richtung angebracht. Die DMS 2 und 4 mit der Hauptdehnungsrichtung in Y-Richtung angebracht.

Auf die sensorische Schleifspindel wurden mithilfe eines Prüfstands (Bild 3c) statische und dynamische Kräfte radial durch einen Piezoaktor (PSt 1000/16/150/ VS25) aufgebracht. Im Kraftfluss zwischen dem Piezoaktor und der Spindelwelle ist eine Kraftmessdose (KM26z-2kN) montiert. Die gesendeten Messdaten der DMS werden durch eine Antenne empfangen und mit einem Industrie-PC aufgezeichnet (f_DMS = 526 Hz). Mittels des gleichen Industrie-PCs wird der Piezoaktor angesteuert, um die Belastungen auf die Spindelwelle aufzubringen und zu messen (f_F = 1.000 Hz).

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