DE10154435A1

DE10154435A1 - Fräskopf für das Hochgeschwindigkeitsfräsen

Info

Publication number: DE10154435A1
Application number: DE10154435A
Authority: DE
Inventors: Alexander Sahm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-05-28
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: DE10154435B4

Abstract

Ein Fräskopf (1) für das Hochgeschwindigkeitsfräsen weist einen Fräskopf-Grundkörper (2) auf, an dem Schneidplatten (3) jeweils in einer Schneidplattenaufnahme (4) befestigt sind. Mit einer Auswerteschaltung verbundene Halbleiter-Dehmungsmessstreifen (5, 6) sind als Kraftsensoren zur Schnittkraftmessung an der Stirnseite des Fräskopf-Grundkörpers (2) in der Nähe der Schneidplattenaufnahme (4) aufgebracht. In der Nähe einer Schneidplattenaufnahme (4) sind im Abstand zueinander zwei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (5, 6) angeordnet. Die Messrichtungen (5a bzw. 6a) der beiden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (5 bzw. 6) verlaufen im Winkel zueinander.

Description

Die Erfindung betrifft einen Fräskopf für das Hochgeschwindigkeitsfräsen mit einem Fräskopf-Grundkörper, an dem Schneidplatten jeweils in einer Schneidplattenaufnahme befestigt sind, und mit am Fräskopf- Grundkörper angeordneten, mit einer Auswerteschaltung verbundenen Kraftsensoren zur Schnittkraftmessung.
Unter den beim Hochgeschwindigkeitsfräsen vorliegenden Bedingungen, nämlich einem unterbrochenen Schnitt bei hohen Kontaktfrequenzen zwischen Werkzeug und Werkstück, ist die Erfassung der Schnittkräfte von großer Bedeutung, insbesondere auch zur Prozessüberwachung im Produktionsprozess.
Infolge des unterbrochenen Schnitts kommt es zu einer dynamischen Anregung des Messsystems. Bekannte Messsysteme haben jedoch nur eine geringe Bandbreite; die Anregungsfrequenz beim Hochgeschwindigkeitsfräsen liegt außerhalb dieser zur Verfügung stehenden Bandbreite. Eine aussagekräftige Schnittkraftmessung ist damit nicht mehr zuverlässig möglich. Das gemessene Signal bildet nur das dynamische Verhalten des Messsystems selbst ab, lässt jedoch keinen ausreichenden Rückfluss auf die jeweils auftretenden Schnittkräfte zu. Bei einem bekannten Fräskopf der eingangs genannten Gattung werden als Kraftsensoren piezo-elektrisch arbeitende Elemente verwendet, die im Kraftfluss zwischen Schneidplatte und dem Fräskopf- Grundkörper angeordnet sind.
Hinzu kommt noch, dass die zur Aufnahme der piezoelektrischen Messelemente erforderlichen Bohrungen den ohnehin sehr hoch beanspruchten Fräskopf-Grundkörper zusätzlich schwächen. Deshalb ist eine solche Anordnung insbesondere für den Einsatz im Produktionsbereich mit hohen Schnittgeschwindigkeiten nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Fräskopf der eingangs genannten Gattung zu schaffen, der unter den Bedingungen des Hochgeschwindigkeitsfräsens eine zuverlässige Schnittkraftmessung ermöglicht, ohne dass hierbei eine mechanische Schwächung des Fräskopf- Grundkörpers in Kauf genommen werden müsste.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Kraftsensoren an der Stirnseite des Fräskopf-Grundkörpers in der Nähe der Schneidplattenaufnahme aufgebrachte Halbleiter-Dehnungsmessstreifen sind.

Durch die Anbringung der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen an der Stirnseite des Fräskopf-Grundkörpers wird eine Schwächung dieses Fräskopf-Grundkörpers durch Bohrungen od. dgl. vermieden. Der Fräskopf-Grundkörper kann daher die beim Hochgeschwindigkeitsfräsen auftretenden hohen mechanischen Beanspruchungen uneingeschränkt übernehmen.

Die verwendeten Halbleiter-Dehnungsmessstreifen verfügen über eine größere Dehnungsempfindlichkeit und damit höherer Messsignalauflösung im Vergleich zu herkömmlichen anderen Verformungssensoren, insbesondere herkömmlichen Dehnungsmessstreifen. Das Messsystem hat eine verhältnismäßig große Bandbreite und damit hohe Dynamik, da die elektronischen und insbesondere die mechanischen Systemkomponenten über eine hohe Eigenfrequenz verfügen. Bei den mechanischen Systemkomponenten, insbesondere dem Fräskopf-Grundkörper, wird eine hohe Eigenfrequenz dadurch erreicht, dass das Verhältnis zwischen Steifigkeit und Masse hoch ist und wegen der Anbringung der Halbleiter- Dehnungsmessstreifen an der Stirnseite auch beibehalten werden kann. An den zur Schnittkraftmessung geeigneten Anbringungsstellen der Halbleiter-Dehnungsmessstreifen am Fräskopf-Grundkörper liegt eine hohe Steifigkeit bei relativ geringer Masse vor.

Gemäß einer Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, dass in der Nähe einer Schneidplattenaufnahme im Abstand zueinander zwei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen angeordnet sind. Damit wird die Möglichkeit geschaffen, zwei unterschiedliche Schnittkraftkomponenten gesondert zu erfassen, vorzugsweise die in Umfangsrichtung gerichtete Schnittkraft und die radial wirkende Schnittnormalkraft.

Um eine wirksame Trennung dieser beiden Schnittkraftkomponenten bereits bei der Verformungsmessung zu erfassen, verlaufen die Messrichtungen der beiden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen vorzugsweise im Winkel zueinander.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines Fräskopfs für das Hochgeschwindigkeitsfräsen und

Fig. 2 eine vergrößerte Detailansicht des Fräskopf- Grundkörpers bei II in Fig. 1.

Der in Fig. 1 in einer Stirnansicht dargestellte Fräskopf 1 ist für das Hochgeschwindigkeitsfräsen bestimmt. An einem Fräskopf-Grundkörper 2 sind am Umfang verteilt mehrere auswechselbare Schneidplatten 3 jeweils in einer am Fräskopf-Grundkörper 2 ausgesparten Schneidplattenaufnahme 4 angeordnet und durch eine (in der Zeichnung nicht näher dargestellten) Klemmeinrichtung befestigt.
An der Stirnseite des Fräskopf-Grundkörpers 2 sind in der Nähe zweier einander gegenüberliegender Schneidplattenaufnahmen 4 jeweils im Abstand zueinander zwei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 5 und 6 appliziert, die über elektrische Leitungen 7 und 8 (Fig. 2) mit einer in einer stirnseitigen Ausnehmung 9 des Fräskopf- Grundkörpers 2 angeordneten (nicht dargestellten) Auswerteschaltung verbunden sind.
Die beiden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 5 und 6 sind im Abstand zueinander so angeordnet, dass ihre Messrichtungen 5a und 6a im Winkel zueinander verlaufen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel schließt die Messrichtung 5a des Halbleiter-Dehnungsmessstreifens 5 mit der radial verlaufenden Ebene 10 der Schneidplatten-Oberseite 11 einen Winkel A von etwa 53° ein, während der Winkel B zwischen der Messrichtung 6a des Halbleiter-Dehnungsmessstreifens 6 zu der Ebene 10 beispielsweise 34° beträgt.
Die beiden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 5 und 6 sind jeweils in einer flachen Tasche 5b bzw. 6b in der Stirnfläche des Fräskopf-Grundkörpers 2 angeordnet. Der erste Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 5 ist an einer im wesentlichen nur durch die Schnittkraft F_C verformten Zone der Stirnfläche des Fräskopf-Grundkörpers 2 angeordnet, während der zweite Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 6 in einer im wesentlichen nur durch die Schnittnormalkraft F_N verformten Zone der Stirnfläche des Fräskopf-Grundkörpers 2 angeordnet ist. Diese Zonen wurden vorzugsweise rechnerisch unter Anwendung von Simulationen nach der Finite-Elemente- Methode ermittelt. Damit ist bereits bei der Schnittkrafterfassung eine Trennung der beiden Schnittkraftkomponenten F_C und F_N möglich. Jede Messstelle, an der der jeweilige Halbleiter-Dehnungsmessstreifen 5 bzw. 6 appliziert wird, befindet sich auf der biegeneutralen Faser der jeweils anderen Schnittkraftkomponenten.
Die erste Eigenfrequenz der durch den Fräskopf 1 gebildeten mechanischen Struktur liegt beispielsweise im Bereich von 50 kHz. Damit wird die erforderliche große Bandbreite des Messsystems und seine hohe Dynamik erreicht.
Die (nicht dargestellte) Auswerteschaltung verstärkt die analogen Spannungsänderungen an den Halbleiter- Dehnungsmessstreifen 5 und 6. Die so erhaltenen verstärkten Signale werden einem Analog-Digital-Wandler zugeführt, der die analogen Messwerte digitalisiert. Ein Mikrocomputer speichert die digitalisierten Messwerte. Eine (ebenfalls nicht gezeigte) feststehende Laserdiode erzeugt in Verbindung mit einer rotierenden Fotozelle ein Triggersignal, das die Messung kurz vor dem Zerspannungseingriff der jeweiligen Schneidplatte aktiviert. Die Zuführung der erforderlichen Energie erfolgt durch ein induktives Energieübertragungssystem. Die im Mikrocomputer gespeicherten Messdaten können während des Bearbeitungsvorgangs oder nach einem Versuchsablauf bei stehendem Werkzeug über eine Infrarot-Schnittstelle an einen Messrechner übertragen werden.

Claims

1. Fräskopf für das Hochgeschwindigkeitsfräsen mit einem Fräskopf-Grundkörper, an dem Schneidplatten jeweils in einer Schneidplattenaufnahme befestigt sind, und mit am Fräskopf-Grundkörper angeordneten, mit einer Auswerteschaltung verbundenen Kraftsensoren zur Schnittkraftmessung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren an der Stirnseite des Fräskopf-Grundkörpers (2) in der Nähe der Schneidplattenaufnahme (4) aufgebrachte Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (5, 6) sind.

2. Fräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nähe einer Schneidplattenaufnahme (4) im Abstand zueinander zwei Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (5, 6) angeordnet sind.

3. Fräskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messrichtungen (5a bzw. 6a) der beiden Halbleiter- Dehnungsmessstreifen (5 bzw. 6) im Winkel zueinander verlaufen.

4. Fräskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (5) der beiden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen in einer im wesentlichen nur durch die Schnittkraft (F_C) verformten Zone der Stirnfläche des Fräskopf-Grundkörpers (2) angeordnet ist.

5. Fräskopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite (6) der beiden Halbleiter-Dehnungsmessstreifen in einer im wesentlichen nur durch die Schnittnormalkraft (FN) verformten Zone des Fräskopf-Grundkörpers (2) angeordnet ist.

6. Fräskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiter-Dehnungsmessstreifen (5, 6) jeweils in einer flachen Tasche (5b bzw. 6b) in der Stirnfläche des Fräskopf-Grundkörpers (2) angeordnet sind.