CH668480A5

CH668480A5 - Verfahren zur ermittlung der spannkraft.

Info

Publication number: CH668480A5
Application number: CH7274/82A
Authority: CH
Inventors: Josef Steinberger
Original assignee: Forkardt Paul Gmbh
Priority date: 1981-12-15
Filing date: 1982-12-14
Publication date: 1988-12-30
Also published as: JPH022525B2; SE8207132D0; FR2518261B1; SE8207132L; US4603395A; JPS58109276A; IT8224737A0; GB2112152A; DE3149612A1; GB2112152B; IT1156144B; DE3149612C2; SE453330B; FR2518261A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der in einem vorgegebenen Spannzustand in einer umlaufenden Spanneinrichtung zum Festhalten eines bestimmten Werkstückes unter Berücksichtigung der Fliehkraft vorhandenen Spannkraft mittels eines anstelle des Werkstückes eingespannten Spannkraftaufnehmers.

Beim Betrieb von umlaufenden Spanneinrichtungen treten Fliehkrafteinflüsse auf, die die radial von aussen am Werkstück angreifenden Spannelemente entgegen der Spannkraft im Sinne einer Spannkraftverringerung beaufschlagen. Die Grösse der Fliehkraft hängt von der Masse der radial beweglichen Spannelemente und von der Drehzahl der Spanneinrichtung ab, wobei sich durch eine Drehzahlsteigerung die Fliehkraft im Quadrat erhöht. Diese Zunahme der Fliehkraft im Quadrat vermindert die im Stillstand vorhandene Spannkraft mit zunehmender Drehzahl entsprechend, so dass die Gefahr besteht, dass beim Zerspanungsvorgang, insbesondere wenn er durch den Einsatz moderner Schneidwerkzeuge mit hohen Schnittgeschwindigkeiten durchgeführt wird, die erforderliche Haltekraft der umlaufenden Spanneinrichtung für das Werkstück unterschritten und das Werkstück aus der Spanneinrichtung herausgeschleudert wird.

Um diese Gefahr zu vermeiden, ist es bekannt, nicht nur die Spannkraft bei stillstehender Spanneinrichtung, sondern auch bei umlaufender Spanneinrichtung mittels eines in die Spanneinrichtung anstelle eines Werkstückes eingespannten Spannkraftaufnehmers zu messen. Man versuchte auf diese Weise, vor dem Einspannen des zu bearbeitenden Werkstückes festzustellen, ob unter den jeweiligen Arbeitsbedingungen die von der Spanneinrichtung bei der Betriebsdrehzahl trotz der Fliehkraft aufgebrachte Spannkraft ausreicht, das Werkstück sicher in der Spanneinrichtung zu halten.

Hierbei wird unberücksichtigt gelassen, dass die Haltekraft der Spanneinrichtung im Betriebszustand nicht nur von der Steifigkeit der Spanneinrichtung abhängt, sondern auch in einer Wechselwirkung mit der Steifigkeit des jeweiligen Werkstückes steht.

Ausgehend vom Spannzustand bei stillstehender Spanneinrichtung, bei welchem ein Gleichgewicht zwischen den Kräften und Verformungen einerseits der Spanneinrichtung und andererseits des eingespannten Werkstückes herrscht, verändert sich bei umlaufender Spanneinrichtung dieser Gleichgewichtszustand durch den Einfluss der Fliehkraft. Obwohl die absolute Grösse der Fliehkraft von der Masse der Spannelemente und der jeweiligen Drehzahl abhängt, geht nur ein Teil dieser Fliehkraft von der im Stillstand aufgebrachten Spannkraft verloren. Der restliche Teil der Fliehkraft wird zur Verformung, d.h. Aufweitung der Spanneinrichtung verbraucht.

Das Verhältnis zwischen dem die Spannkraft reduzierenden Anteil und dem keine Spannkraftverminderung verursachenden Anteil hängt bei gleicher Spanneinrichtung und Drehzahl entscheidend von der an der Spannstelle herrschenden Steifigkeit des jeweils eingespannten Werkstückes ab.

Der im Einspannzustand herrschende Gleichgewichtszustand zwischen Spanneinrichtung und Werkstück wird nur dadurch erreicht, dass die Spanneinrichtung in der Lage ist, so hohe Kräfte aufzubringen, dass das Werkstück im elastischen Bereich verformt wird, wobei ein Teil der Spannenergie über Verformungen im Werkstück gespeichert wird.

Bei Werkstücken mit geringerer Steifigkeit im Einspannzustand bei stillstehender Spindel findet eine verhältnismässig grosse Werkstückverformung statt, die beim Aufweiten der Spanneinrichtung durch die Fliehkraft ein nachfolgendes Ausdehnen des Werkstückes und damit einen geringeren Spannkraftverlust zur Folge hat. Bei Werkstücken mit höherer Steifigkeit wird dagegen trotz gleich gross eingeleiteter Spannkraft bei denselben Verhältnissen durch die höhere Steifigkeit des Werkstückes eine geringere Verformung erzielt. Demgemäss steht bei Auftreten derselben Fliehkraft ein geringerer Rückdehnweg zur Verfügung, so dass unter gleichen Spannverhältnissen bei steifen Werkstücken weniger Restspannkraft als bei weichen Werkstücken verbleibt. Die Steifigkeit des Werkstücks ist bei ansonsten gleichen Verhältnissen somit für die bei Fliehkraftbeeinflussung verbleibende Spannkraft von entscheidender Bedeutung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Ermittlung der in einem vorgegebenen Spannzustand in einer umlaufenden Spanneinrichtung zum Festhalten eines bestimmten Werkstückes unter Berücksichtigung der Fliehkraft vorhandenen Spannkraft mittels eines anstelle des Werkstückes eingespannten Spannkraftaufnehmers zu schaffen, welches durch die Berücksichtigung der Werk2

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stück-Steifigkeit die den bekannten Verfahren aufgrund fehlerhafter Annahmen anhaftende Unfallgefahr vermeidet und trotz des Einsatzes eines Spannkraftaufnehmers anstelle des jeweiligen Werkstückes beim Messvorgang einen verhältnismässig exakte Ermittlung der beim nachfolgenden Einspannen des bestimmten Werkstückes vorhandenen Spannkraft bei der vorgegebenen Drehzahl der Spanneinrichtung ergibt.

Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spannkraftaufnehmer im vorgegebenen Spannzustand bei umlaufender Spanneinrichtung gemessene Spannkraft einem Rechner zugeführt wird, dem aus einem Eingabespeicher zur Errechnung der beim Einspannen des Werkstückes auftretenden Spannkraft die Werte für die Steifigkeit der Spanneinrichtung des Spannkraftaufnehmers und des Werkstückes aufgegeben werden.

Mit dem erfindungsgemässen Verfahren wird eine sehr gute Annäherung der unter Einsatz eines Spannkraftaufnehmers ermittelten Spannkraft an die bei der Einspannung des Werkstückes tatsächlich auftretende Spannkraft bei der vorgegebenen Drehzahl der umlaufenden Spanneinrichtung erreicht, so dass die bisher angesetzten Sicherheitsfaktoren erheblich verringert werden können. Hierdurch können bei verformungsempfindlichen Werkstücken unerwünschte Verformungen durch das Einspannen vermieden und bei starren Werkstücken höhere Zerspanungsleistungen angewandt werden, so dass die aufgrund moderner Schneidwerkzeuge erheblich gesteigerten Schnittgeschwindigkeiten realisiert werden können, ohne dass die Unfallsicherheit beeinträchtigt wird.

Gemäss einer besonderen Ausführungsart der Erfindung wird unter der Annahme linearer Funktionen für die Steifigkeiten von Spanneinrichtung, Werkstück und Spannkraftaufnehmer der Spannkraftverlust A FsPw des bestimmten Werkstückes nach der Formel

Rw errechnet, wobei A Fspa der mit dem Spannkraftaufnehmer gemessene Spannkraftverlust, Rf die Steifigkeit der Spanneinrichtung, Ra die Steifigkeit des Spannkraftaufnehmers und Rw die Steifigkeit des Werkstückes ist. Trotz der voranstehend getroffenen Annahme linearer Funktionen für die verschiedenen Steifigkeiten ergibt sich mit diesem Vorschlag der Erfindung eine sehr gute Annäherung der mit dem erfindungsgemässen Verfahren ermittelten Spannkraft an die tatsächlich auftretende Spannkraft, so dass ein einfacher Rechenvorgang durchgeführt werden kann. Selbstverständlich ist es nach dem erfindungsgemässen Verfahren auch möglich, dem Eingabespeicher den Steifigkeitsverlauf von Spanneinrichtung, Werkstück und Spannkraftaufnehmer anhand von errechneten oder ermittelten Funktionen aufzugeben, die nicht linear sind, so dass die Annäherung an die tatsächlich auftretende Haltekraft weiterhin verbessert wird.

Gemäss einer weiteren Ausführungsart des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, die bei der Einspannung eines bestimmten Werkstückes zur Verfügung stehende Spannkraft über den gesamten Drehzahlbereich der Spanneinrichtung im Abstand von vorgegebenen Drehzahlstufen zu ermitteln und einem Speicher zuzuführen, aus dem die Werte bedarfsweise abrufbar sind. In diesem Fall wird nicht

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nur die bei jeder wählbaren Drehzahl zur Verfügung stehende Spannkraft ermittelt, sondern es steht für die Bedienungsperson auch eine Entscheidungshilfe zur Verfügung, falls die für die gewählte Drehzahl ermittelte Spannkraft zu niedrig oder zu hoch ist, so dass für den anstehenden Bearbeitungsfall entweder aus Sicherheitsgründen eine niedrigere Drehzahl gewählt werden muss bzw. zwecks besserer Ausnutzung der Zerspanungsmöglichkeiten eine höhere Drehzahl gewählt werden kann.

Beim erfindungsgemässen Verfahren ist es weiterhin möglich, ausser der jeweiligen Spannkraft für das Werkstück auch die zugehörige Drehzahl anzuzeigen. Schliesslich ist es erfindungsgemäss möglich, dass die eingegebenen Werte für die Steifigkeit der Spanneinrichtung, des Spannkraftaufnehmers und des jeweiligen Werkstückes ständig angezeigt werden, so dass diese Werte von der Bedienungsperson der Werkzeugmaschine jederzeit erkennbar sind.

Das erfindungsgemässe Verfahren zur Ermittlung der Spannkraft soll nachfolgend anhand von Zeichnungen erläutert werden. Auf den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 ein erstes Diagramm, bei welchem die Verformungen eines Spannfutters und eines eingespannten Werkstückes in Abhängigkeit von der Spannkraft und unter Berücksichtigung der Fliehkraft für ein Werkstück aus Vollmaterial aufgetragen sind, und zwar mit einem Schemabild des Spannfutters und des Werkstückes,

Fig. 2 ein der Fig. 1 entsprechendes Diagramm nebst Schemabild, bei welchem in demselben Spannfutter anstelle des vollen Werkstückes ein mit einer Bohrung versehenes Werkstück eingespannt ist,

Fig. 3 ein den Figuren 2 und 3 entsprechendes Diagramm nebst Schemabild, bei welchem anstelle der Werkstücke ein Spannkraftaufnehmer in dasselbe Futter eingespannt ist,

Fig. 4 ein den Spannkraftverlauf über der Drehzahl bei einer Einspannung nach Fig. 1 darstellendes Diagramm und Fig. 5 ein der Fig. 4 entsprechendes Diagramm bei einem Spannkraftverlauf für das Werkstück nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist die Spannsituation eines Werkstückes 1 in einem Spannfutter F dargestellt, wobei das Werkstück Wi aus Vollmaterial besteht. Oberhalb des Schemabildes ist über den Verformungen des Spannfutters F und Werkstückes Wi der Spannkraftverlauf aufgetragen. Das Diagramm lässt erkennen, dass bei nicht rotierendem Spannfutter F bei eingespanntem Werkstück W i ein Gleichgewichtszustand herrscht. Die Spannkraft FsPo bei nicht rotierendem Spannfutter F hat entsprechend der Wirksteifigkeit Rf des Spannfutters F zur Verformung A Vf des Spannfutters und gleichzeitig entsprechend der Steifigkeit Rwi des Werkstückes Wi zur Verformung A Vw des Werkstückes Wi geführt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Spannfutter F sich durch die Spannkraft FsPo entsprechend der Kennlinie Rf aufgeweitet und das Werkstück Wi sich entsprechend der Kennlinie Rwi verformt haben.

Wenn nunmehr das Spannfutter F in Umdrehungen versetzt wird, so wirkt zusätzlich zur Spannkraft FsPo die Fliehkraft Fe. Diese weitet das Spannfutter F weiter auf, so dass die im Stillstand vorhandene Spannkraft FsPo um den Spannkraftverlust A Fspwi vermindert wird. Zum Festhalten des Werkstückes Wi steht nunmehr nur noch die Haltekraft FsPwi zur Verfügung. Da bei steifen Werkstücken der Kraftanstieg über dem Weg sehr steil ist, ist der Spannkraftverlust A FsP bei dem aus Vollmaterial hergestellten Werkstück Wi sehr stark.

Beim Diagramm nach Fig. 2 wird in demselben Spannfutter F, d.h. bei einem Spannfutter mit gleicher Steifigkeit Rf das Werkstück W2 mit einer Bohrung gespannt, wie dies in

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dem Schemabild nach Fig. 2 zu erkennnen ist. Dieses Werkstück W2 hat infolge der Bohrung eine geringere Steifigkeit Rw2. Gemäss der Darstellung des Diagramms wird dieselbe Spannkraft FsPo im Stillstand eingeleitet. Es ergibt sich wiederum ein Gleichgewichtszustand.

Wenn nunmehr das Spannfutter F mit gleicher Drehzahl wie beim Diagramm nach Fig. 1 in Umdrehungen versetzt wird, entsteht wiederum dieselbe Fliehkraft Fe. Der Spannkraftverlust A FspW2 ist jedoch wesentlich geringer, weil die Kennlinie der Steifigkeit Rw2 des Werkstückes W2 flacher verläuft als die Kennlinie Rwi der Steifigkeit des Werkstückes Wi. Das Diagramm in Fig. 2 lässt somit erkennen, dass die Haltekraft FsPw2 zum Zerspanen des Werkstückes W2 wesentlich höher ist als die entsprechende, bei gleicher Drehzahl ermittelte Haltekraft für das Werkstück Wi.

Aus den beiden Diagrammen der Figuren 1 und 2 geht somit eindeutig hervor, dass die Haltekraft zum Festhalten eines Werkstückes ganz entscheidend von der Steifigkeit des Werkstückes abhängt.

In Fig. 3 ist nunmehr eine den beiden voranstehend erläuterten Darstellungen entsprechende Situation dargestellt, wenn anstelle der Werkstücke W1 bzw. W2 ein Spannkraftaufnehmer A in dem Spannfutter F eingespannt wird. Hierbei wurde angenommen, dass die Steifigkeit Ra des Spannkraftaufnehmers A zwischen den Steifigkeiten Rwi bzw. Rw2 der Werkstücke W1 und W2 liegt. Die Kennlinien dieser beiden Steifigkeiten Rwi und Rw2 sind mit dünneren Linien in Fig. 3 eingezeichnet.

Auch in Fig. 3 ist bei demselben Spannfutter F und bei derselben Drehzahl die Fliehkraft Fe eingezeichnet, die sich ergibt, wenn das Spannfutter F in Umdrehungen versetzt wird. Es ergibt sich die Haltekraft Fspa für den Spannkraftaufnehmer A, und zwar nach Abzug des Spannkraftverlustes A FspA.

Bei einem Vergleich der drei Diagramme gemäss den Figuren 1,2 und 3 ist zu erkennen, dass die Verformungskraft A F des Spannfutters F ebenso wie der Spannkraftverlust A FsP durch die Fliehkraft entscheidend von der Steifigkeit der eingespannten Werkstücke Wi und W2 bzw. des Spannkraftaufnehmers A abhängen. Da die vom Spannkraftaufnehmer A im vorgegebenen Spannzustand bei umlaufendem Spannfutter F gemessene Haltekraft Fspa für den Spannkraftaufnehmer A einem Rechner zugeführt wird, der unter Berücksichtigung der eingegebenen Werte für die Steifigkeit Rw des jeweiligen Werkstückes W und der Steifigkeit Ra des Spannkraftaufnehmers A die effektiv für das jeweilige Werkstück W auftretende Haltekraft FsPw errechnet, werden Fehler bei der Ermittlung der zum Festhalten eines bestimmten Werkstückes unter Berücksichtigung der Fliehkraft Fe vorhandenen Haltekraft vermieden.

In Fig. 4 ist der Haltekraftverlauf eines bestimmten Spannfutters F über der Drehzahl n aufgetragen, und zwar einmal für einen Spannkraftaufnehmer A und zum anderen für ein besonders steifes Werkstück Wi. Das Diagramm lässt erkennen, dass der vom rotierenden Spannkraftaufnehmer A s gemessene Sollwert erheblich grösser ist als der Istwert, welcher sich ergibt, wenn anstelle des Spannkraftaufnehmers A mit der Steifigkeit Ra ein Werkstück W1 mit der erheblich grösseren Steifigkeit Rwi im Spannfutter F eingespannt wird. Die Fig. 1 lässt deutlich erkennen, dass eine solche Situation 10 besonders gefährlich ist, weil die für den jeweiligen Bearbeitungsfall angenommene Spannkraft Fspa tatsächlich wesentlich unterschritten wird, so dass das Werkstück W1 unter Belastung durch die Zerspannung aus dem Spannfutter F herausfliegen kann.

15 In dem in Fig. 5 dargestellten Fall ist in dem der Fig. 4 entsprechenden Diagramm gezeigt, dass die mit dem Spann-kraftaufnehmer A gemessene Haltekraft Fspa erheblich niedriger liegt als die tatsächliche Haltekraft FsPw2 für das Werkstück W2, weil dieses Werkstück W2 weicher als der Spann-20 kraftaufnehmer A ist. Der mit dem Spannkraftaufnehmer A gemessene Sollwert Fspa liegt demgemäss erheblich unter dem tatsächlichen Istwert FsPw2, der sich bei Einspannung des Werkstückes W2 anstelle des Spannkraftaufnehmers A im Spannfutter F ergibt.

25 Dieser Fall zeigt, dass es beim Einspannen weicherer Werkstücke W2 zu einer unnötigen Deformation des Werkstückes W2 und damit teilweise zu unzulässigen Formabweichungen kommen kann. Ohne das erfindungsgemässe Verfahren zur Ermittlung der in einem vorgegebenen Spannzu-3a stand vorhandenen Spannkraft ist somit bei diesem Beispiel zuviel Spannkraft vorhanden.

Die Figuren 4 und 5 zeigen, welche Fehler bei der Nichtbenutzung der Erfindung auftreten. Diese Fehler werden mit der Erfindung dadurch beseitigt, dass aus dem mit dem Spannkraftaufnehmer A gemessenen Wert der Haltekraft Fspa die für das jeweilige Werkstück W1 bzw. W2 vorhandene tatsächliche Haltekraft FsPwi bzw. FsPw2 ermittelt wird. Die jeweilige Haltekraft FsPwi bzw. Fspw2 kann auf einem geeig-^ neten Messinstrument angezeigt werden.

Es ist nunmehr Aufgabe der Bedienungsperson, die für jedes bestimmte Werkstück vorgegebene Haltekraft, die dem Sollwert Fspa in den Figuren 4 und 5 entspricht, durch Ändern der Spannparameter möglichst exakt zu erzielen. 45 Hierzu wird insbesondere die zum Spannen eingeleitete Kraft verändert.

Erst das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es somit in der Praxis, den Spannvorgang für den Zerspanungsprozess so zu optimieren, dass für das jeweils zu zerspanende Werk-50 stück W die optimale Haltekraft FsP am Spannfutter F tatsächlich vorhanden ist.

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2 Blatt Zeichnungen

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668480 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Ermittlung der in einem vorgegebenen Spannzustand in einer umlaufenden Spanneinrichtung zum Festhalten eines bestimmten Werkstückes unter Berücksichtigung der Fliehkraft vorhandenen Spannkraft mittels eines anstelle des Werkstückes eingespannten Spannkraftaufnehmers, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Spannkraftaufnehmer im vorgegebenen Spannzustand bei umlaufender Spanneinrichtung gemessene Spannkraft einem Rechner zugeführt wird, dem aus einem Eingabespeicher zur Errechnung der beim Einspannen des Werkstückes auftretenden Spannkraft die Werte für die Steifigkeit der Spanneinrichtung, des Spannkraftaufnehmers und des jeweiligen Werkstückes aufgegeben werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Annahme linearer Funktionen für die Steifigkeit von Spanneinrichtung, Werkstück und Spannkraftaufnehmer der Spannkraftverlust A FsPw des bestimmten Werkstückes nach der Formel

Rw errechnet wird, wobei A Fspa der mit dem Spannkraftaufnehmer gemessene Spannkraftverlust, Rf die Steifigkeit der Spanneinrichtung, Ra die Steifigkeit des Spannkraftaufnehmers und Rw die Steifigkeit des Werkstückes ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den gesamten Drehzahlbereich der Spanneinrichtung im Abstand von vorgegebenen Drehzahlstufen die bei der Einspannung eines bestimmten Werkstückes zur Verfügung stehende Spannkraft ermittelt und einem Speicher zugeführt wird, aus dem die Werte bedarfsweise abrufbar sind.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ausser der jeweiligen Spannkraft für das Werkstück auch die zugehörige Drehzahl angezeigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingegebenen Werte für die Steifigkeit der Spanneinrichtung, des Spannkraftaufnehmers und des jeweiligen Werkstückes ständig angezeigt werden.