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Vorrichtung zur Bestimmung der Schneidkraft von Werkzeugen Es ist
bekannt, z. B. Drehstähle in einem als mechanische Meßvorrichtung ausgebildeten
Drehbanksupport so zu lagern, daß zwei oder drei Komponenten, wie Axialdruck, 'Schnittdruck
und Radialdruck, gemessen werden.
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Man hat auch vorgeschlagen, eine oder mehrere Komponenten der Schneidkraft
von Werkzeugen, wie z. B. von Dreh-, Fräs- und Bohrwerkzeugen, auf elektrischem
Wege zu messen, und zwar hat man sich hierzu der Kapazitätsänderung eines Kondensators
bedient, wobei die Kraft auf ein Diaphragma übertragen wird, dessen Lageänderung
bei Federung die Kapazitätsänderung des Kondensators bewirkt. Zur Messung der Kapazitätsänderung
des Kondensators wird eine umfangreiche Verstärkerapparatur mit Hochfrequenzgeneratoren
benutzt, mit der durch die Kapazitätsänderungen die Abstimmung zwischen dem Hochfrequenzstrom
und einem Schwingungskreise geändert wird.
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Ganz abgesehen von dieser umfangreichen Apparatur mit einem Hochfrequenzstromkreis,
Gleichrichtern u. dgl. ist hierbei nachteilig, daß Verstellungen der Schneidkante
des Werkzeugs je nach Stärke und Richtung der Schneidkraft unvermeidlich sind, die
das Diaphragma zwecks Kapazitätsänderung des Kondensators federnd beeinflussen müssen.
Diese verhältnismäßig geringen Lageänderungen der Werkzeugschneidkante sind jedoch
noch zu groß, um ein sehr genaues Meßergebnis der tatsächlich vorhandenen Schneidkräfte
erzielen zu lassen. Die Erfindung besteht in einer Vorrichtung zur Bestimmung der
Schneidkraft von Werkzeugen, bei der eine oder mehrere Komponenten der Schneidkraft
auf elektrischem Wege gemessen werden, indem zur Druckmessung ein oder mehrere Piezokristalle
entsprechend angeordnet sind.
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An sich ist die piezoelektrische Druckmessung z. B. zur Messung von
Beschleunigungsdrücken bekannt, wobei die durch die Piezokriställe erzeugte Elektrizität
als unmittelbares Maß für Schwingungen -dient.
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Die erfindungsgemäße Benutzung eines zur Druckmessung an sich bekannten
Piezoelementes für die elektrische Messung einer oder mehrerer Komponenten der Schneidkraft
von z. B. Dreh-, Fräs- und Bohrwerkzeugen läßt mit einfacheren und billigeren Mitteln
eine größere Genauigkeit des Meßergebnisses erzielen, als das bisher mit der eingangs
genannten Vorrichtung zur elektrischen Schneidkraftmessung möglich ist, da einerseits
die Piezoelektrizität unmittelbar ohne Benutzung eines Hochfrequenzstromkreises
mit einer umfarigreichen Röhrenapparatur gemessen werden kann und andererseits keine
nennenswerten Verschiebungen bzw. Lageänderungen der Schneidkante des Werkzeugs,
die die Meßgenauigkeiten beeinträchtigen, auftreten, wie das bei einem federnden
Kondensatorsystem der Fall ist.
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In den Abb. i bis 6 sind einige Ausführungsbeispiele der Vorrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt, und zwar ist Abb. i ein senkrechter Schnitt,
Abb.
2 ein waagerechter Schnitt für eine Vorrichtung zum Messen des Torsionsmomentes
eines Bohrers.
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Abb. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführung für Drehbänke, und zwar
Abb. 3 einen senkrechten Schnitt, Abb. 4 einen waagerechten Schnitt der Vorrichtung
zum Messen von drei Komponenten der Schneidkraft.
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Abb. 5 und 6 sind ein senkrechter Schnitt und eine Draufsicht auf
eine dritte Ausführung für Fräsmaschinen.
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Bei dem ersten Ausführungsbeispiel (Abb. i und 2) sind i und 2 Klemmbacken
zum Einklemmen eines Werkstückes in die Meßvorrichtung, wobei das Werkstück in einen
waagerechten Schlitz 3 eingesetzt wird. Nachdem das Werkstück in Stellung gebracht
ist, werden die Teile i und 2 durch . Schrauben 4 und 5 festgezogen. Der Teil i
besitzt eine Öffnung 6, so daß ein Bohrer in das Werkstück hineingebohrt werden
kann.
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Eine Welle 8 am Teil 2 ist senkrecht in einem Kugellager io einer
Büchse 9 gelagert. Am Ende der Welle ist eine Platte i2 durch eine Mutter 13 befestigt,
die einen kugelförmigen Vorsprung besitzt. Durch Bolzen 14 und 15 ist die Platte
12 mit einer zweiten Platte 16 verbunden und zwischen ihnen ein Quarzblock 18 eingepreßt.
Die Platte 16 wird durch einen Stift oder einen kegelförmigen Ansatz ii getragen.
Es ist- also die Vorrichtung zum Festpressen des Quarzblockes sowie die Klemmvorrichtung
i, 2 senkrecht- unterstützt.
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Beginnt der Bohrer mit dem Bohren, so wird die Welle 8 nach unten
gedrückt, so daß die Teile 8, 12 und 13 den Quarzblock i8 gegen die Platte 16 drücken.
Es kann dann diese axiale Schneidkraft leicht gemessen werden, indem die Menge der
durch den Druck in dem Quarzblock 18 erzeugten Elektrizität gemessen wird.
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Zum Messen der Torsionskraft des Bohrers ist ein Arm 23 an der Welle
8 befestigt, und am Ende dieses Armes ist ein gehärtetes Eisenstück 24 (Abb. 2)
angeordnet. Wenn eine Torsionskraft in Richtung des Pfeiles x wirkt, so wird das
Stück 24 gegen einen Quarzblock 28 und dieser gegen einen ihn tragenden Ständer
29 gedrückt. Da der Ständer 29 fest an der Maschinenplatte durch Bolzen und Muttern
30, 31
befestigt ist, so kann die Torsionskraft durch Messen der in dem Quarzblock
28 erzeugten Elektrizität bestimmt werden.
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Die in den Quarzblöcken 18 und 28 erzeugte Elektrizität wird zu Klemmen
41 und 42, die an dem Gehäuse 4o der Maschine befestigt sind, durch Leitungen 38
und 39 geleitet, von denen sie zum elektrischen Meßgerät abgeführt wird.
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Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel (Abb. 3 und 4) ist der Stahl i
einer Drehbank am Werkzeughalter 3 mittels Druckschrauben 2 befestigt. Hier kann
der auf die Schneidkante des Werkzeugs ausgeübte Druck in drei Komponenten zerlegt
werden, nämlich in eine senkrechte und zwei waagerechte Komponenten, von denen die
eine den Oberflächendruck senkrecht zur Mittellinie des Werkzeugs angibt und die
zweite dem hindurchziehenden Druck parallel zu der Mittellinie des Werkzeugs entspricht.
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Um die waagerechte Komponente senkrecht zu der Mittellinie des Werkzeugs,
d. h. den Oberflächendruck, zu messen, dst ein Quarzblock 4 am hinteren Ende des
Werkzeughalters 3 angeordnet. Dieser Quarzblock, eine Eisenplatte 5 und eine Stahlkugel
6 sind zwischen einer Eisenplatte 8, die am Ende des Halters mittels Bolzen und
Mutter 7 befestigt ist, und einer zweiten Eisenplatte 9 vorgesehen und sind mit
dem hinteren Ende des Halters durch drei Bolzen io verbunden. Infolgedessen können
der Halter 3 und der Quarzblock 4 als aus einem Stück bestehend angesehen werden.
Das vordere Ende des Halters wird frei von einer Stahlkugel ii getragen, während
sein hinteres Ende durch die kugelförmige Spifze einer Schraube n gehalten wird,
gegen die er leicht durch Spiralfedern i3 gezogen wird. Wenn die Schneidkante des
Werkzeugs gegen ein Werkstück arbeitet, so wird der dabei entstehende Oberflächendruck
den Quarzblock 4 gegen die Eisenplatte 9 durch den Werkzeughalter 3, die Eisenplatte
8, Mutter 7, Stahlkugel 6 und Eisenplatte 5 drücken. Infolgedessen kann durch Messung
der in dem Block 4 erzeugten Elektrizität dieser Oberflächendruck leicht bestimmt
werden.
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Um den senkrechten Druck zu messen, ist ein zweiter Quarzblock 14
unter der Stahlkugel ii angeordnet. Der Block 14 liegt auf einer Eisenplatte 15
und wird gegen die Maschinenplatte durch eine zweite Eisenplatte gedrückt. Wenn
die Schneidkante arbeitet, so hat das Werkzeug die Neigung, nach unten um den Stützpunkt
an der Spitze der Schraube 12 zu gleiten. Infolgedessen wird diese senkrechte Komponente
auf den Quarzblock 14 durch die Stahlkugel ii und die Eisenplatte 16 übertragen
und dadurch gegen die Maschinenplatte gedrückt, so daß der Quarzblock Elektrizität
entsprechend dem auf ihn ausgeübten senkrechten Druck erzeugt. Zweckmäßig wird durch
Federn i8 ein Zug nach unten auf den Werkzeughalter 3 ausgeübt.
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Um den hindurchgehenden Druck parallel zur Mittellinie des Werkzeugs
zu messen, ist ein Quarzblock i9 an einer Seite des Werkzeughalters vorgesehen.
Dieser Quarzblock liegt gegen eine feste Eisenplatte 2o unter Vermittlung einer
Platte 2x und Bolzen 22 an. Eine Eisenplatte 24 ist auf der oberen Seite des Werkzeughalters
mittels einer Schraube 23 befestigt
und zwischen ihr und der Eisenplatte
21 eine Stahlkugel 25 eingeschaltet. Das Eisenstück 24, die Stahlkugel 25
und die Eisenplatte 21 werden miteinander durch Schraubenfedern 26 in Berührung
gehalten, die mit dem Halter 3 und mit der Platte 2o verbunden sind. Der Teil 24
ist derart angeordnet, daß er auf der Oberfläche des Halters senkrecht zu ihm etwas
gleiten kann. Er ist durch die Schraube 23 an den Halter derart einstellbar festgeklemmt,
daß, wenn der Halter genau auf der Stahlkugel ii aufliegt, der Teil 24 die Stahlkugel
25 gerade berührt. Eine Anschlagschraube 27 soll Erschütterungen des Stahlhalters
verhüten. Zwischen der Schraube 2,7 und dem Halter 3 ist ferner eine Stahlkugel
28 vorgesehen.
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Beim Arbeiten der Schneidkante des Werkzeugs hat dieses die Neigung,
sich zusammen mit dem Halter in einer waagerechten Ebene um den Stützpunkt an der
Spitze der Schraube 12 zu drehen, und zwar infolge des Druckes, der parallel zur
Mittellinie des Werkzeugs durch dasselbe hindurchgeht. Infolgedessen wird dieser
Druck auf den Quarzteil i9 durch die Stahlkugel 25 und die Eisenplatte 21 derart
übertragen, daß der Block i9 gegen die Haltescheibe 2o gedrückt wird. Wenn man nun
die hierdurch in dem Quarzblock erzeugte Elektrizität mißt, so kann der parallel
zur Mittellinie des Werkzeugs hindurchgehende Druck leicht gemessen werden.
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Bei dieser Vorrichtung findet die Berührung zwischen dem Werkzeughalter
und den übrigen Teilen nur in vier Punkten statt, nämlich durch die Kugeln 1i, 25,
28 und 12. Der Werkzeughalter wird durch die drei Federn 13, 18 und 26 gehalten.
Infolgedessen wird die Bewegung des Werkzeughalters in einer dieser drei Richtungen
infolge der beim Arbeiten an der Schneidkante des Werkzeugs auftretenden Schneidkraft
durch keine Widerstände bei der Bewegung in den anderen beiden Richtungen beeinflußt
und infolgedessen kann jede der drei Komponenten genau gemessen werden.
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Bei der dritten Ausführungsform nach Abb. 5 und 6 zum Messen des Druckes
bei einer Fräsmaschine ist das Werkstück 41 an einem Halter 42 befestigt, der an
einer rechtwinkligen Eisenscheibe 43 festsitzt. Diese Scheibe wird von einer Eisenplatte
44 mittels vier zwischengelegter Kugeln waagerecht gehalten. Unter der Platte 44
sind eine Stahlkugel 45, eine Eisenplatte 46 und ein Quarzblock 47 angeordnet. Dieser
ist von vornherein durch Einstellung von Schraubenbolzen 48 festgepreßt. Wirkt nun
auf das Werkstück eine Kraft von oben, so wird diese durch die Teile 42 bis 46 auf
den Quarzblock übertragen. Infolgedessen kann die senkrechte, auf das Werkstück
wirkende Komponente der Kraft durch Messung der in dem Quarzblock 47 erzeugten Elektrizität
gemessen werden. Um die Scheibe 43 von vornherein nach unten zu ziehen, sind vier
Schraubenfedern 49 vorgesehen.
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Eine waagerechte Komponente der Schneidkraft senkrecht zur Achse des
Werkzeugs wird durch einen Quarzblock 50 gemessen. Da die Eisenplatte 43
mittels vier Kugeln von der Eisenplatte 44 getragen wird, kann die Scheibe 43 frei
nach vorn und zurück und nach links und rechts bewegt werden. Ein Arm
51, der an der Scheibe an der linken Seite befestigt ist und nach unten vorragt,
wird durch die Flächenkomponente nach links gedrückt und dieser Druck wird mittels
einer Stahlkugel 52
auf den Quarzblock 50 übertragen und dieser gegen
einen Halter 54 dieses Blockes gedrückt. Durch Messung der in dem Block 5o erzeugten
Elektrizität kann die Oberflächenkomponente der Schneidkraft senkrecht zur Achse
des Werkzeugs leicht gemessen werden. Der Quarzblock wird von vornherein durch Schraubenbolzen
55 unter Druck gehalten, während die Eisenplatte 43 etwas nach links durch Federn
56 gezogen wird.
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Der hindurchgehende Druck, d. h. die waagerechte Komponente parallel
zur Achse des Werkzeugs, ist nur dann vorhanden, wenn die Schneidkante des Werkzeugs
nicht parallel zu seiner Achse, sondern im Winkel zu derselben steht. Um diese Komponente
zu messen, ist ein Quarzblock 57 vorgesehen, der gegen die Tragplatte 58 durch eine
Platte 59 und Schraubenbolzen 6o gedrückt wird. Zwischen der Platte 59 und einem
an der Eisenplatte 43 sitzenden Arm 61 ist eine Kugel 62 vorgesehen. Da die Scheibe
43 sich beliebig in waagerechter Richtung verstellen kann, so wird der Druck parallel
zur Achse des Werkzeugs auf den Quarzblock 57 übertragen, so daß diese Komponente,
falls sie entstehen sollte, dur ch die in diesem Block erzeugte Elektrizität gemessen
werden kann. Die Scheibe muß etwas nach der Tragscheibe 58 des Blockes 57 durch
Federn 63 gezogen werden. 64 und 65 sind als Anschlag dienende Schrauben, die ein
Schwingen der Scheibe 43 aufhalten.