kraftmessung_isf

Technische Universitt Dortmund

Institut fr Spanende Fertigung

Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann

Wirtschaftsingenieurwissenschaftliches Labor (Diplom)

Wirtschaftswissenschaftliches Labor I (Bachelor)

Analysen und Krftemessung im Zerspanprozess

Wintersemester 2010/11

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Ivan Iovkov, GB IV, Raum 214, Tel.: 0231 755 4860, E-Mail: [email protected]

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Inhalt

1 Grundlagen

1.1 Schneidkeil, Geometrie

1.2 Komponenten der Zerspankraft

1.3 Geometrie der Zerspanung

1.4 Schnittkraft und spezifische Schnittkraft

1.5 Zerspanleistung

1.6 Spanarten

1.7 Spanformen

2 Verfahren der Schnittkraftmessung

2.1 Messung der Leistungsaufnahme (Taylor)

2.2 Schnittkraftmessung mit piezoelektrischen Kraftaufnehmern

2.3 Messung der Schnittkraft mit Dehnungsmessstreifen (DMS)

3 Versuchsaufbau

3.1 Messkette

3.2 bertragungsfaktoren

4 Versuchsdurchfhrung

4.1 Erfassung der Schnittkraftkomponenten in Abhngigkeit von ap und f

4.2 Erfassung der Schnittkraftkomponenten in Abhngigkeit von vc

4.3 Werkstoff- und Werkstckdaten

5 Versuchsauswertung

5.1 Auswertung Versuchsreihe 4.1


5.3 Diskussion

6 Anhang

6.1 Technische Daten der Maschine

6.2 Messgerte

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1 Grundlagen

1.1 Schneidkeil, Geometrie

Grundprinzip der spanenden Formgebung ist die Wirkung des Schneidkeiles. Seine

charakteristischen Winkel sind der Spanwinkel , der Keilwinkel und der Freiwinkel .

Diese drei Winkel ergnzen sich zu 90 (Bild 1). Der Spanwinkel kann sowohl positiv als

auch negativ ausgefhrt sein. Beim Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide haben die

Winkel einen definierten Wert, bei Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide nicht.

Beim Drehen liegt der Schneidkeil meist in Form einer Wendeschneidplatte vor (Bild 2).

Span

Wendeschneidplatte

WerkstckWerkstck

Wendeschneidplatte

f vc fvc

Span

Draufsicht Orthogonalansicht

Bild 1: Eingriffssituation der Wendeschneidplatte

Bild 2: Drehwendeschneidplatte im Werkzeughalter

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1.2 Komponenten der Zerspankraft

Die Zerspankraft F greift am Schneidkeil des Werkzeuges an und lsst sich im Wesentlichen

in die drei Hauptkomponenten Fc (Schnittkraft), Fp (Passivkraft) und Ff (Vorschubkraft)

aufteilen (Bild 3).

Bild 3: Komponenten der Zerspankraft

1.3 Geometrie der Zerspanung

Die wichtigsten Zerspanungsgren sind die Schnittgren und die Spanungsgren. Die

Schnittgren mssen zur Spanabnahme unmittelbar oder mittelbar eingestellt werden. Es

sind:

Vorschub f

Schnittgeschwindigkeit vc

Schnitttiefe ap

Spanungsgren sind aus den Schnittgren abgeleitete Werte (Bild 4):

Einstellwinkel

Spanungsdicke h = fsin

Spanungsbreite b = ap /sin

Der Spanungsquerschnitt A beschreibt die Flche des noch nicht abgetrennten Spanes:

A= b h = ap f

4

apAf vc

f

Bild 4: Geometrische Zusammenhnge beim Drehen

1.4 Schnittkraft und spezifische Schnittkraft

Zwischen Schnittkraft Fc und spezifischer Schnittkraft kc gilt die Beziehung:

Fc = A kc

kc = Fc / A

Der Wert kc gibt die Schnittkraft bezogen auf den Spanungsquerschnitt an und ist abhngig

von dem zu zerspanenden Werkstoff, den Einstelldaten des Prozesses und der

Werkzeuggeometrie. Trgt man die kc-Werte ber der Spanungsdicke h in doppelt

logarithmischem Mastab in ein Diagramm ein, so ergibt sich annhernd eine Gerade

(Bild 5). Beim Spanungsquerschnitt A = 1 mm und h = 1 mm ergibt sich der sogenannte kc 1.1

Wert.

kc = kc 1.1h-z

Fc = bkc 1.1h1-z

z = tan

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Bild 5: Spezifische Schnittkraft kc ber der Spanungsdicke h1 fr den Werkstoff Ck 60

1.5 Zerspanleistung

Die Zerspanleistung Pc berechnet sich nach:

Pc = Fcvc

1.6 Spanarten

Bei der Spanbildung findet in der Scherebene eine Umformung statt (Bild 6). Von dem

Umformverhalten des Werkstoffes hngt es ab, ob eine Werkstofftrennung auch in der

Scherebene erfolgt und wie stark sie ausgeprgt ist. Aufgrund dessen sind verschiedene

Spanarten zu unterscheiden (Bild 7), wobei allerdings auch Zwischenzustnde auftreten

knnen.

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Bild 6: Spanentstehung (nach Knig)

Bild 7: Spanarten

Der Spanablauf ist beim Fliespan gleichmig und ununterbrochen. Voraussetzung fr die

Fliespanbildung ist ein ausreichendes Umformvermgen des Werkstoffes. Sie wird

begnstigt durch hohe Schnittgeschwindigkeit und groe Spanwinkel. Scherspne bilden sich,

wenn die Umformung in der Scherebene die Umformfhigkeit des Werkstoffes berschreitet.

Sie bestehen aus vollkommen getrennten Spanteilen, die wieder zusammenschweien. Bei

Werkstoffen mit geringer Umformfhigkeit werden die Spne nicht mehr abgetrennt, sondern

aus der Oberflche herausgerissen. Dieses Verhalten wird Reispanbildung genannt.

1.7 Spanformen

Unter der Spanform versteht man die Form, mit der ein Span nach Abschluss des

Zerspanvorganges die Spanflche des Werkzeuges verlsst. Man unterscheidet die in Bild 8

dargestellten Spanformen. Dabei sind Band- und Wirrspne aufgrund ihrer Gre bzw. ihres

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Platzbedarfes unerwnscht. Sie behindern die Maschinenbedienung, beschdigen Werkstck

und Werkzeug, beanspruchen viel Platz, knnen schlecht gehandhabt werden und erhhen die

Unfallgefahr. Aus diesem Grunde werden zumindest Wendelspne gefordert, wenn nicht

verfahrensbedingt noch kleinere Spanformen erforderlich sind. Dies kann der Fall sein, wenn

die Spne durch den Khlschmierstoff transportiert werden mssen, wie z.B. beim

Tiefbohren.

Bild 8: Spanformen beim Drehen (nach Stahl-Eisen-Prfblatt)

Da die Spne generell scharfkantig sind, sollte bei der Versuchsdurchfhrung geeignete

Kleidung und geschlossenes Schuhwerk getragen werden.

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2 Verfahren der Schnittkraftmessung

2.1 Messung der Leistungsaufnahme (Taylor)

Die Messung der momentan aufgenommenen Leistung P des Spindelantriebes der

Werkzeugmaschine erlaubt die Bestimmung der Schnittkraft Fc. Bei bekanntem

Wirkungsgrad des Antriebes (Anteil der in Schnittleistung umgesetzten Leistung P) lsst

sich die Schnittkraft Fc in Abhngigkeit der Leistung P und der Schnittgeschwindigkeit vc

berechnen:

Fc = P / vc

Dieses Verfahren wird heute zwar nicht mehr zur absoluten Kraftmessung eingesetzt, dient

aber als Mastab fr den Verschleizustand von Zerspanwerkzeugen. Jede moderne

Werkzeugmaschine zeigt die aktuelle Leistungsaufnahme der Antriebe bzw. der Spindel an.

2.2 Schnittkraftmessung mit piezoelektrischen Kraftaufnehmern

Piezoelektrische Kraftaufnehmer nutzen den piezoelektrischen Effekt, um Krfte, die auf

einen piezoelektrischen Kristall wirken, in messbare Spannungen zu wandeln.

Piezoelektrische Kristalle bestehen aus Ionen, die so im Kristallgitter angeordnet sind, dass

der Kristall unpolarisiert ist, d. h. die Ladungen der Ionen gleichmig verteilt sind, wenn er

nicht verformt wird. Wirkt eine Kraft F auf den Kristall, so wird er verformt. Dadurch

verlagern sich die Ionen im Kristall, woraus eine Ungleichverteilung der positiven gegenber

den negativen Ionen entsteht. Diese Ungleichverteilung der Ladungen bewirkt eine

Polarisation des Kristalls, d. h. es ist zwischen der einen und der anderen Seite des Kristalls

eine Spannung messbar. Die Spannung ist proportional zur elastischen Verformung des

Kristalls, die wiederum proportional zur wirkenden Kraft ist. Diese Vorgnge sind vereinfacht

in Bild 9 dargestellt. Die Ladungsschwerpunkte der positiven und der negativen

Gesamtladung liegen bei einem piezoelektrischen Kristall ohne Krafteinwirkung aufeinander.

Unter Krafteinwirkung verformt sich der Kristall. Der positive Ladungsschwerpunkt wird

dadurch nach oben verschoben. Daraus resultiert eine Polarisation. In vergleichbarer Weise

reagiert ein geeigneter piezoelektrischer Kristall auch auf Zug- und Schubspannungen.

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Bild 9: Links: Piezoelektrischer Kristall ohne Krafteinwirkung. Rechts: Kristall unter

Krafteinwirkung.

Die verwendete Kraftmessvorrichtung besitzt ein geeignetes piezoelektrisches Element fr

jede Kraftrichtung. Zwei Elemente werden auf Schub und eines auf Druck belastet. Die

Elemente sind unter mechanischer Spannung eingebaut, um auch entlastende, also negative

Krfte messen zu knnen.

Piezoelektrische Elemente eignen sich hervorragend fr dynamische Untersuchungen, da sie

eine geringe Ansprechschwelle von 0,01 N besitzen, sowie eine hohe Eigenfrequenz von 1,5

bis 6 kHz und eine groe Steifigkeit von 500 bis 5000 N/m. Die hohe Steifigkeit bewirkt,

dass die wirkenden Krfte nahezu weglos gemessen werden. Dies ist eine wesentliche

Voraussetzung fr den Einsatz in Werkzeugmaschinen.

Die Kraftmesseinrichtung wird zur Messung der Zerspankraftkomponenten in der

Werkzeugmaschine zwischen Wendeschneidplattenhalter und Revolver eingebaut.

Ein Nachteil der Zerspankraftmessung mit piezoelektrischen Elementen liegt darin, dass die

von der Verformung erzeugten berschussladungen auf der einen Seite des Kristalls langsam

ber den Ladungsverstrker zur anderen Seite des Kristalls abflieen und so die Polarisation

verschwindet. Diesem Effekt wird durch elektronische Manahmen im Ladungsverstrker

entgegengewirkt, so dass er nicht zum Tragen kommt. Ein weiter Nachteil ist, dass die

piezoelektrischen Elemente sehr empfindlich auf Temperaturnderungen und hohe

Temperaturen reagieren. Eine konstante Temperatur des Sensors ist daher sicherzustellen. Bei

Zerspanversuchen kann dies die Khlung der Kraftmesseinrichtung ntig machen.

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2.3 Messung der Schnittkraft mit Dehnungsmessstreifen (DMS)

Eine weitere gebruchliche Methode zur Kraftmessung ist die Anwendung von

Dehnungsmessstreifen (DMS). DMS bestehen aus einem manderfrmig verlegten Leiter aus

Metallfolie oder Draht. Dieser Leiter wird auf die Oberflche eines Bauteils geklebt. Eine auf

das Bauteil wirkende Kraft fhrt zu einer Verformung des Bauteils. Der DMS muss nun so

angebracht sein, dass die Verformung des Bauteils zu einer Dehnung des DMS fhrt.

Aufgrund der Dehnung des DMS verlngert sich der Leiter und sein Querschnitt verringert

sich gleichzeitig. Dadurch steigt der elektrische Widerstand des Leiters, der proportional zu

seiner Lnge und invers proportional zu seinem Querschnitt ist. Aus einer

Widerstandsnderung kann also die Dehnung ermittelt werden. Die Dehnung des DMS

entspricht der Dehnung des Bauteils und diese ist durch die mechanischen Eigenschaften des

Bauteils von der wirkenden Kraft abhngig.

Der momentane Widerstand des Leiters kann mithilfe einer Messschaltung, der sog.

Wheatstonschen Brcke, ermittelt werden. Diese Messschaltung und ein DMS sind in Bild

10 dargestellt.

Bild 10: Dehnungsmessstreifen und Wheatstonsche Brcke

Die Widerstnde R2 und R3 der Schaltung sind gleich. RDMS ist der Widerstand des DMS. R4

ist ein Potentiometer, d. h. ein regelbarer Widerstand. Zwischen den Punkten 1 und 2 der

Schaltung wird eine Spannung angelegt. ber die beiden Pfade von 1 nach 2 fllt also die

gleiche Spannung ab. Die Spannung U zwischen den Punkten 3 und 4 ist somit vom

Verhltnis der Widerstnde RDMS und R4 abhngig. Sind diese gleich, so ist die Spannung U

gleich null. Zur Messung von RDMS muss also R4 solange verndert werden, bis U = 0 ist.

Dann gilt R4 = RDMS.

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DMS knnen beispielsweise auf den Schaft des Werkzeughalters geklebt werden und messen

so die unter der Belastung auftretende Verformung. Die erwnschte und blicherweise

vorhandene sehr steife Ausfhrung einer Werkzeugmaschine und dem Werkzeughalter steht

hier jedoch dem Messprinzip entgegen und beeinflusst die Messgenauigkeit in negativer

Weise. Daher ist dieses Verfahren zur Messung der Zerspankraft weniger geeignet als die

Verwendung von piezoelektrischen Kraftaufnehmern.

Der Vorteil der Kraftmessung mit DMS liegt darin, dass sowohl statische als auch

dynamische Krfte erfasst werden knnen. Zudem ist die Anwendung von DMS relativ

einfach und kostengnstig.

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3 Versuchsaufbau

3.1 Messkette

Der piezoelektrische Kraftaufnehmer (das Dynamometer) erzeugt eine Ladung Q, die

proportional zur wirkenden Kraft F ist. Der Ladungsverstrker ermittelt aus dieser Ladung die

wirkende Kraft F und gibt eine zur Kraft proportionale Spannung aus. Diese wird durch die

Messkarte des Rechners wiederum in die wirkende Kraft F umgerechnet und angezeigt.

Dieser Vorgang wird mit einer Abtastrate von 1 kHz durchgefhrt, dass bedeutet, dass 1000

Mal pro Sekunde fr jede der drei Kraftrichtungen die wirkende Kraft vom Rechner

abgetastet und aufgezeichnet wird (Bild 11).

Bild 11: Messkette

3.2 bertragungs- und Kalibrierfaktoren

Fr die Einstellung des Ladungsverstrkers wird fr jede der drei Kraftrichtungen ein

Kalibrierfaktor bentigt, den der Hersteller des Kraftaufnehmers angibt (Bild 12). Diese

Faktoren werden durch Kennlinien dargestellt, die eingemessen wurden.

Bild 12: Kennlinie der Kraftaufnehmer

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Der Ladungsverstrker wandelt die Ladung Q in eine proportionale Spannung U. Dazu wird

am Verstrker der Kalibrierfaktor eingestellt, der festlegt, welche Ladung Q in Picocoulomb

(pC = 10-12

C) durch eine Kraft F in Newton (N) im Dynamometer erzeugt und an den

Verstrker weitergeleitet wird. Des Weiteren wird am Verstrker ein bertragungsfaktor

eingestellt, der festlegt, welche Spannung U am Ausgang des Verstrkers angelegt wird, wenn

eine Kraft von 1 N gemessen wird. Dieser bertragungsfaktor kann in gewissen Grenzen frei

gewhlt werden, um eine mglichst hohe Auflsung zu erzielen.

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4 Versuchsdurchfhrung

4.1 Erfassung der Schnittkraftkomponenten in Abhngigkeit von ap, f und vc

Die Schnittkraft, die Vorschubkraft und die Passivkraft sind im ersten Versuchsteil fr

verschiedene Schnitttiefen a1 ... a6 und fr verschiedene Vorschbe f1 ... f6 zu messen. Die

Drehzahl n bleibt dabei konstant.

Ausgegangen wird von dem Parametersatz vc = 200 m/min, f = 0,15 mm und ap = 0,4 mm.

Die gemittelten Krfte im stationren Bereich werden in die folgenden Tabellen eingetragen.

Abgelesen werden knnen die gemittelten Werte direkt aus der entsprechenden Auswertung

der Messsoftware LabView (National Instruments). Dabei wird ein Zeitfenster gewhlt, in

dem das Kraftsignal einen nahezu stationren Wert erreicht. Aufgrund der Datenmenge kann

dieser Mittelwert bei manueller Auswertung nur sehr mhsam bestimmt werden.

Neben Angabe des Mittelwertes soll in der Auswertung noch die Standardabweichung der

Mittelwerte angegeben werden, wobei diese zu bewerten sind.

vc = 200 m/min, f = 0,15 mm und ap = var

Schnitttiefenvariation

ap in mm

ap1 = 0,05 ap2=0,1 ap3=0,2 ap4=0,4 ap5=0,75 ap6=1

Fc in N/ Stabw.

Ff in N / Stabw.

Fp in N / Stabw.

vc = 200 m/min, f = var und ap = 0,4 mm

Vorschubvariation

f in mm

f1 =0,025 f2 = 0,05 f3 = 0,1 f4 = 0,2 f5 = 0,3 f6 = 0,4

Fc in N / Stabw.

Ff in N / Stabw.

Fp in N / Stabw.

Die Schnittkraft, die Vorschubkraft und die Passivkraft sind im zweiten Versuchsteil fr

verschiedene Schnittgeschwindigkeiten vc1... vc6 zu messen. Die Schnitttiefe ap und der

Vorschub f bleiben konstant.

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Angegeben werden sollen wieder die Mittelwerte und die zugehrigen Werte der

Standardabweichung. Auerdem soll jeweils die fr die Schnittgeschwindigkeit vci (i=1...6)

notwendige Drehzahl ni berechnet werden.

vc = var, f = 0,15 mm und ap = 0,4 mm

Schnittgeschwindig-

keitsvariation (m/min) vc1 = 150 vc2= 200 vc3= 225 vc4= 250 vc5= 275 vc6= 300

Berechn. Drehzahl n

Fc in N / Stabw.

Ff in N / Stabw.

Fp in N / Stabw.

4.2 Werkstoff- und Werkstckdaten

Werkstoffbezeichnung:

nach DIN 17 200:

Hrte HB weichgeglht:

Seco Werkstoffgruppe:

Durchmesser des Rohteiles

Durchmesser des Fertigteiles:

Werkzeugdaten:

Spanwinkel 0:

Keilwinkel 0:

Freiwinkel 0:

Einstellwinkel :

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5 Versuchsauswertung


Zur Auswertung der Versuchsreihe sind folgende Diagramme zu zeichnen:

Diagramm I, Bearbeitungskrfte unter Variation der Schnitttiefe:

Fc = f(ap)

Fp = f(ap)

Ff = f(ap)

Diagramme II und III, Spezifische Schnittkraft in Abhngigkeit des Vorschubes und der

Schnitttiefe:

kc = f(f) fr f1 ... f6

kc = f(ap) fr ap1 ... ap6

Diagramm IV, Spezifische Schnittkraft in Abhngigkeit der Spanungsdicke h:

kc = f(h) doppelt logarithmische Darstellung

Berechnen Sie kc1.1!


Zur Auswertung der Versuchsreihe sind folgende Diagramme zu zeichnen:

Diagramm V, Bearbeitungskrfte in Abhngigkeit der Schnittgeschwindigkeit:

Fc = f(vc)

Fp = f(vc)

Ff = f(vc)

Berechnen Sie die jeweilige mittlere Zerspanleistung.

5.3 Diskussion

Die Versuchsergebnisse sind in einem Kurzbericht von maximal 8 Seiten (Inhalt! Deckblatt

o.. ausgenommen) zu diskutieren. Mgliche Fehler und deren Quellen oder ungewhnliche

Messergebnisse sind einzuordnen und zu begrnden. Dazu gehren auch die Kurvenverlufe

der Diagramme I-V. Bitte beachten Sie, dass sich die Ergebnisse der Versuche von

Ergebnissen, die in der blichen Literatur dargestellt werden, abgrenzen knnen. Auch hierfr

sollten mgliche Ursachen angegeben werden. Abschlieend ist ein Vortrag in Form einer

Power-Point-Prsentation ber die Versuchsergebnisse und durchfhrung zu halten. Der

Vortrag sollte nicht lnger als 20 min dauern. Jede Prsentation, die lnger als 22 min dauert,

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wird nach Ablauf der 22. Minute unterbrochen und alles nicht vorgetragene zhlt als nicht

erbrachte Leistung.

Die Folien der Prsentation werden als Anlage mit dem Kurzbericht abgegeben. Beides ist

mindestens drei Werktage vor dem Vortrag bei einem der Betreuer einzureichen.

Die Prsentation findet innerhalb von zwei Monaten nach der Versuchsdurchfhrung statt.

Der Termin wird direkt nach dem Versuch oder maximal einen Tag spter vereinbart.

Am Tag der Versuchsdurchfhrung wird vor Beginn des Versuches das ntige Wissen zum

Versuch abgefragt. Hierbei wird von allen Teilnehmern erwartet, dass sie sich angemessen

auf den Versuch vorbereitet haben und somit alle Fragen beantworten knnen. Sollte sich eine

Gruppe bzw. ein Teilnehmer als ungengend vorbereitet herausstellen, kann diese

Gruppe/Person den Versuch frhestens im nchsten Jahr wiederholen. Tipp: Bitte beachten

Sie insbesondere die Unterschiede der Abbildungen 1 und 4 und das hierfr zur Verfgung

gestellte Video (Download siehe Skriptdownload)!

Fr Fragen, die im Vorfeld auftreten, steht der Betreuer Ivan Iovkov (GB IV, Raum 214,

Tel.: 0231 755 4860, Email: [email protected]) gerne zur Verfgung.

Kritik an der Versuchsplanung und Vorschlge zur Verbesserung sind erwnscht!

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6 Anhang

6.1 Technische Daten der Maschine

Maschine: Monforts RNC 602

60-Schrgbett-Drehmaschine

Drehzahlbereich: 28 ... 4000 1/min

Max. Drehlnge 600 mm

Drehdurchmesser ber Schlitten: 210 mm

Drehdurchmesser ber Bett: 360 mm

Antriebsleistung 30 kW

Bild 15: Drehmaschine Monforts (Quelle: ISF)

6.2 Messgerte

Dynamomenter:___________________________________

Ladungsverstrker: ________________________________

Messkarte: National Instruments _____________________

Messprogramm: LabView (NI)

Abtastrate:___________ Hz

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