Konstruktive Übung
Die Arbeit entstand 1995/1996 im Rahmen meines Studiums am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der TU Berlin. Wegen der hohen Komplexität des Themas wurde sie als Gruppenarbeit mit 3 Kommilitonen begonnen. Mit zunehmendem Arbeitsfortschritt wurden individuelle Aufgabenstellungen entwickelt und bearbeitet.
Wirtschaftlicher Wettbewerb wird heute zunehmend durch Produktivitätssteigerungen auf der Basis technischer Innovationen entschieden.
Die Entwicklung spanabhebender Fertigungsverfahren wurde in den letzten Jahren maßgeblich durch Fortschritte bei den Schneidstoffen bestimmt, die stetig steigende Schnittgeschwindigkeiten zulassen. Um höhere Schnittgeschwindigkeiten tatsächlich zu erreichen, sind oft prinzipielle Änderungen an der Werkzeugmaschine nötig.
An der Drehmaschine stellt sich folgendes Problem, dem wir uns in unserer Arbeit widmeten. Je schneller sich Werkstück und Futter drehen, desto größer werden die auf das Spannfutter wirkenden Fliehkräfte. Dies führt bei konventionellen Drei-Backenfuttern dazu, daß sich die Spannkräfte zwischen Backen und Werkstück drastisch reduzieren.
Die Grenze für die Schnittgeschwindigkeit wird damit nicht mehr durch die Beanspruchbarkeit des Werkzeuges erreicht. Stattdessen wird sie durch die Steifigkeit und Wirkungsweise des Spannfutters bestimmt.
Ein Beispiel: Moderne Schneidstoffe lassen heute bereits Schnittgeschwindigkeiten von 4000m/min zu, Tendenz steigend. Um diese Schnittgeschwindigkeit bei einem Werkstück mit einem Bearbeitungsdurchmesser von 90mm zu erreichen, wäre dazu eine Drehzahl von 14200min-1 erforderlich. Konventionelle Spannfutter für Werkstücke dieser Größe gestatten jedoch nur eine Drehzahl von bis zu 6300min-1.
Bild 1 zeigt die Anordnung der wesentlichen Komponenten eines konventionellen Drehfutters, die unter dem Gesichtspunkt des Fliehkrafteinflusses von Bedeutung sind. Während das zentrisch gelagerte Werkstück nur einer geringen Fliehkraftaufweitung unterliegt, ist der Einfluß auf die exzentrisch angeordneten Spannbacken sehr groß.
|
| Bild 1: Die auf die Einzelteile des Futters wirkenden Fliehkräfte haben zur Folge, daß die Kontaktstelle zwischen Werkstück und Spannbacke entlastet wird. Die Spannkraft sinkt. |
Um dem Spannkraftverlust entgegenzuwirken bieten sich zwei Ansätze an:
Auf den ersten Blick scheinen beide Ansätze einander auszuschließen. Der Einsatz von Faserverbundkunststoffen (FVK) eröffnet jedoch neue Möglichkeiten und verspricht durch seine Eigenschaften:
diesen Widerspruch aufzulösen.
Ein konstruktiver Lösungsansatz zur Reduktion des Spannkraftverlustes unter Verwendung von FVK ist in der Patentschrift 4220136 DEC 1 dargelegt. Es handelt sich dabei um eine FVK-Bandage, die um die Spannbacken herum angebracht wird.
 |
| Bild 2: Spannfutter mit FVK-Bandage. |
Die Fliehkräfte der Backen erzeugen in der Bandage eine Zugbeanspruchung. Die in Umfangsrichtung angeordneten Fasern sind daher besonders wirksam, wodurch sich insgesamt eine sehr hohe Steifigkeit erzielen läßt. Gleichzeitig läßt die geringe Dichte von Faser- und Matrixwerkstoff erwarten, daß die Bandage selbst nur geringen Fliehkräften ausgesetzt ist.
Unsere Aufgabe bestand darin, diesen Lösungsansatz aufzugreifen und in ein völlig neues Spannsystem zu integrieren.
Neben der konstruktiven Ausarbeitung eines solchen Systems sollte gleichzeitig der mit dem Wirkprinzip zu erwartende Spannkraftverlauf (Spannkraft in Abhängigkeit von der Drehzahl) analytisch abgeschätzt werden.
Unser Vorgehen zur Konstruktion des Futters hielt sich relativ strikt an die von Pahl und Beitz vorgeschlagene Methodik. Dazu gehört:
Diese fast "fundamentale" Vorgehensweise hatte zur Folge, daß nicht nur ein Konzept entwickelt wurde, das die FVK-Bandage enthält. Zwei meiner Kommilitonen verfolgten ein hydraulisches Spannfutterkonzept weiter, das nebenbei bemerkt nach unseren Bewertungskriterien am besten abschnitt.
Ein die Bandage integrierendes Konzept wurde von einem Kommilitonen und mir weiter verfolgt. Wir teilten uns die konstruktiven und analytischen Aufgaben.
Zur Ermittlung des Spannkraftverlaufes wurde folgendes Ersatzsystem gebildet (Bild 3):
 |
| Bild 3: Ersatzmodell zur Ermittlung des Spannkraftverlaufes. |
Für die Bestimmung der Federsteifigkeiten wurden die einzelnen Elemente des Spannsystems wie folgt abstrahiert:
Die Arbeit hatte das Ziel, eine Drehfutterkonstruktion für den Einsatz zum Hochgeschwindigkeitsdrehen zu entwickeln. Dabei sollte das Leistungsspektrum konventioneller Drehfutter mit heute als selbstverständlich erachteten Merkmalen wie Außen- und Innenspannung oder Stangendurchlaß erhalten bleiben.
Die Simulation des Spannkraftverlaufes lieferte ein sehr differenziertes Bild. Die erwünschten Drehzahlzuwächse ließen sich nur dann erreichen, wenn auch für die Spanneinheit die Materialdaten des FVK angenommen wurden. Als Spanneinheit wurde der aus Backe, Keil und Führungsklotz Komplex bezeichnet, der die Spannkraft zwischen Werkstück und Bandage überträgt.
Selbst bei unendlich hoher Bandagensteifigkeit (simuliert) sind die Spannkraftverluste bei einer Spanneinheit aus Stahl gravierend (Bild 4).
 |
| Bild 4: Spannkraftverlauf mit unendlich hoher Bandagensteifigkeit. |
Im Gegensatz dazu fallen die Spannkraftverläufe wesentlich günstiger aus, wenn man die Komponenten der Spanneinheit aus FVK fertigt. Wegen der eindeutigen Beanspruchung der Teile sollte dies auch möglich sein. Ein zusätzlicher Spannkraftgewinn läßt sich außerdem durch den Einsatz von Ausgleichsmassen erzielen. Bild 5 zeigt die Spannkraftverläufe mit und ohne Ausgleichsmassen. Für die Spanneinheit wurden dabei FVK-Materialwerte zugrunde gelegt.
 |
| Bild 5: Spannkraftverlauf mit und ohne Ausgleichsmassen. |
Der Spannkraftverlauf zeigt, daß das Futter bei günstigen bis normalen Schnittbedingungen mit bis zu 15000min-1 betrieben werden kann.
Auch der zweite Teil der Zielsetzung, wesentliche Eigenschaften konventioneller Drehfutter beizubehalten, konnte nur bedingt erreicht werden. Beispielsweise fiel durch die Anordnung wesentlicher Bauteile innerhalb der Bandage der Durchmesser für den Stangendurchlaß kleiner aus als bei einem konventionellen Futter vergleichbarer Größe.
Die Konzeption wirkt sich ebenfalls auf den spannbaren Durchmesserbereich aus. Prinzipbedingt kann der größte Durchmesser den Nenndurchmesser des Futters nicht erreichen oder gar überschreiten.
Eine Variation des Spanndurchmesser ist zwangsläufig mit einem Backenwechsel verbunden. In Abhängigkeit von den Backen kann der Spanndurchmesser im Bereich von 0mm bis 100mm liegen.
Abschließend muß festgestellt werden, daß einige Aspekte bei der Konstruktion dieses Futters nur eingeschränkt oder gar nicht untersucht werden konnten. So erfolgte die analytische Ermittlung des Spannkraftverlaufes mit einem sehr einfachen Modell. Hier erscheint eine genauere Untersuchung mit Hilfe eines Näherungsverfahrens wie der FEM sinnvoll. Desweiteren sollten die analytisch ermittelten Werte durch eine experimentelle Untersuchung auf einem Versuchsstand überprüft werden.
Die Einrichtung eines Schmiersystems und eines Auswuchtsystems erfolgte nicht, um den Umfang der Arbeit zu begrenzen. Es sei aber darauf hingewiesen, daß auf diese Systeme nur bei einigen wenigen Hubbewegungen und einem kontrollierten Hochfahren in den gewünschten Drehzahlbereich (Versuchsbedingungen) verzichtet werden kann. Bei einem dauerhaften Einsatz auf einer Drehmaschine müssen diese Systeme allerdings unbedingt integriert werden.
Zurück zur Übersicht