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Force Monitoring System

Spannmittel individuell anpassen

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Anbieter zum Thema

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Anwendungen für das FMS

Ziel der Spannmittelhersteller ist es, Spannelemente für den Maschinen- und Anlagenbau zu entwickeln um das Gefahrenpotential durch mangelhaft geklemmte Bauteile und einen ungewollten Verlust der Vorspannkraft zu vermeiden. Die Ursache für unzureichende Werkstückspannkraft ist oftmals eine fehlerhafte Einrichtung des Werkstückes und bleibt aufgrund der nichtvorhandenen Überwachung unentdeckt. Eine unzureichende Werkstückspannkraft hat jedoch unmittelbare Auswirkung auf die Qualität im Bearbeitungsprozess. Eine falsche Bedienung des Werkstückspannsystems kann dazu führen, dass ein Aufbau der für die Bearbeitung erforderlichen Maximalspannkraft nicht gegeben ist. Dadurch kann während der Bearbeitung eine relative Verschiebung des Werkstückes innerhalb des Bearbeitungsraumes (zwischen TCP und Werkstück) auftreten und zur Beeinträchtigung des Zerspanprozesses führen. Dies macht sich beim Drehen, in Dreh-Fräszentren und der 5-Achs-Bearbeitung z. B. durch Rattern und Abweichungen in der zu erstellenden Geometrie bemerkbar. Die resultierende Verminderung der Bauteilqualität kann den Ausschuss des Werkstücks aufgrund überschrittener Oberflächen- und Maßtoleranzen zur Folge haben. Als Nachteile einer konventionellen Aufspannung lassen sich folgende Punkte aufführen:

  • Vorspannkrafterzeugung ist Verlust behaftet – Schwankungen und der Spannkraft,
  • inhomogener Spannungszustand in Trennfuge,
  • selbsttätiges Lösen der Verbindung unter Vibrationen möglich,
  • variable Spannkrafterzeugung durch unterschiedliche Bediener und Werkzeuge

Bei sehr verformungsanfälligen, dünnwandigen Werkstücken kann die Spannkraft mit der bisherigen Einrichtemethode nur unzureichend eingestellt werden. Dabei besteht die Gefahr, dass die Spannkräfte höher als nötig angesetzt werden und die Bauteile aufgrund der hohen Spannungen sich verformen.

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Neben einer mangelhaften Bearbeitungsqualität stellt ein schleichender Spannkraftverlust zwischen Werkstück und Spannmittel im Bereich von Großanlagen ein erhebliches Sicherheitsrisiko für den Anlagenbediener dar. Als Beispiel hierfür kann die Fertigung von Kraftwerksturbinen im Siemens PG-Werk in Mülheim an der Ruhr aufgeführt werden. In der Fertigung von Gehäusen für Kraftwerksturbinen tritt ein, Unwucht bedingtes, Taumeln des auf dem Bearbeitungstisch stehenden Gehäuses auf, das sogenannte Schwärmen. Durch das Schwärmen entsteht eine Gefährdung für Bediener und Anlage, da zu keinem Zeitpunkt die Situation der Aufspannung eindeutig bekannt ist.

Aufgrund der Werthaltigkeit der Bauteile, der Prozesssicherheit und der vom Anwender geforderten Verfügbarkeit der Maschinen sowie dem Schutz des Bedienpersonals kommt daher einer Sicherheitsfunktion wie der Werkstückspannkontrolle bei hochdynamischen Werkzeugmaschinen für große und massive Werkstücke eine besondere Aufmerksamkeit zu (Bild 3).

Die Spannkraftkontrolle ist ebenso notwendig bei kleineren schnelldrehenden Werkstücken die in Dreh-Fräszentren gefertigt werden. Hier kann die Fertigung von Turbinenschaufeln und Blisks angeführt werden.

Das dargestellte Spannelement ermittelt und sendet die axial gerichtete Spann-/Klemmkraft, hervorgerufen durch den Spannmechanismus (Klemmung der Pratze durch Bolzen und Mutter auf dem Werkstück), während der Bearbeitung an eine mobile Auswerteeinheit oder die Maschinensteuerung.

Aktive Spannkraftüberwachung

Durch die Bereitstellung und Visualisierung der Messdaten aus der Spannkraftüberwachung während des Einrichtens und innerhalb des Bearbeitungsprozess kann die Fertigung ressourcenschonend gestaltet werden. Worst-Case-Szenarien wie das unkontrollierte Lösen eines Werkstücks aus der Spannvorrichtung wird durch eine aktive Spannkraftüberwachung verhindert. Die Erfassung der Spannkraft erfolgt direkt im Kraftfluss am Bauteil, somit können filigrane Werkstücke oder Halbzeuge ohne Gefahr einer Fehlbelastung fixiert werden. Die aufgebrachte Spannkraft kann jeder Zeit im Bearbeitungsprozess und zwischen einzelnen Arbeitsschritten überprüft und gewährleistet werden, es entstehen keine Nebenzeiten zur separierten Kontrolle. Durch programmierbare Toleranzschwellen und Alarmschwellen kann die Betriebssicherheit signifikant gesteigert werden.

Literatur

[1] Perovic, B.: Vorrichtungen im Werkzeugmaschinenbau – Grundlagen, Berechnung und Konstruktion. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2013.

[2] Kesselklau, R.; Meyer, C.: Priorisierung des Handlungsbedarfs, Schwerpunkte des Unfallgeschehens. VDW Technologietag – Risikobeurteilung und Nachweis eines tolerierbaren Restrisikos. Fachtagung, Düsseldorf, 2016.

[3] Eichhorn, N.: Rüstprozessoptimierung in der Zerspanung – Methoden zur Effizienzsteigerung beim Rüsten von Bearbeitungszentren in der Kleinserienfertigung. Dissertation, TU Darmstadt, 2010.

[4] Wörn, A.: Ein Beitrag zur Gestaltung mechanischer Modulschnittstellen für rekonfigurierbare Mehrtechnologie-Werkzeugmaschinen. Dissertation, TU Darmstadt, 2009.

[5] Wittel, H.: Maschinenelemente. Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden, 2011.

* Prof. Dr.-Ing. Eberhard Abele und Dipl.-Wirt.-Ing. Matthias Berger, beide vom Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technische Universität Darmstadt; Dr.-Ing. Arno Wörn, Jakob Antriebstechnik GmbH; Dr.-Ing. Stefan Bonerz, Ott-Jakob GmbH; Dr.-Ing. Mario Dewald, Siemens AG.

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