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Vorrichtung zum Messen des Schnittdruckes bei zerspanender Bearbeitung
Bei den bisher bekannten zum Messen des Schnittdruckes bei zerspanender Bearbeitung
auf Werkzeugmaschinen benutzten Vorrichtungen hat man die auf das Werkstück ausgeübte
Schnittkraft in verschiedene Komponenten zerlegt, um diese in an sich bekannter
Weise messen zu können. Um die Schnittkraft in ihre Komponenten zu zerlegen, mußte
ein das Werkzeug aufnehmender, beispielsweise hebelartig gestalteter Werkzeugträger
nach allen Seiten nachgiebig gelagert werden. Die Messung der einzelnen Kraftkomponenten
erfolgt meist in der Weise, daß sie auf besondere Druckmeßdosen o. dgl. einwirken,
bei denen unter dem Einfluß der betreffenden Kräfte Membranen durchgebogen werden.
Diese bekannten Anordnungen haben den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig umständlichen
Aufbau erfordern und eine große Vorsicht bei der Benutzung, damit bei Überbelastungen
oder bei unsachgemäßer Behandlung keine Verbiegungen oder Zerstörungen der Meßorgane
eintreten.
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Die neue Vorrichtung ist dazu bestimmt, nur eine Komponente der Schnittkraft,
vorzugsweise den Hauptschnittdruck, zu bestimmen. Dies wird unter Zuhilfenahme eines
hebelartig gestalteten Werkzeugträgers und einer Meßbiegefeder erfindungsgemäß dadurch
erreicht, daß der Werkzeugträger an seinem
der Schneidestelle gegenüberliegenden
Ende um nur eine rechtwinklig zu der zu messenden Komponente des Schnittdruckes
angeordnete und festliegende Achse, vorzugsweise einem Wälzlager, drehbar gelagert
und 24.
den Seitenflächen vorzugsweise in einer Wälzführung geführt ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist damit vorteilhaft gegenüber einem
bekannten Mehrkomponentenschnittkraftmesser unterschieden, bei dem der Stahlhalter
(Werkzeugträger) an einer elastischen Membran gelagert ist. Das bedeutet nämlich,
daß der Stahlhalter und damit das Werkzeug eine irgendwie schräg im Raum liegende
Schwenkung ausführen, die einer gleichzeitigen Drehung um mehrere durchaus nicht
senkrecht zur zu messenden Schnittdruckkomponente angeordnete und festliegende Achsen
entspricht. Die Seitenführung des Werkzeugträgers fehlt insofern bei der bekannten
Vorrichtung, als der Stahlhalter zwecks Erfassung des Vorschubdruckes seitlichen
Spielraum hat.
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Die von der Erfindung abweichende Anordnung des Stahlhalters hat für
diesen und das Werkzeug zunächst einmal eine undefinierte -Nullage zur Folge. Darüber
hinaus führt die allseits nachgiebige Einspannung des Werkzeuges zu einer -gegenseitigen;
Beeinflussung der Schnittdruckkomponenten, so daß Fehlwerte gemessen werden. Infolge
besagter Einspannung wird auch bei vielen Werkstoffen ein Schwingen des Werkzeuges
überhaupt. nicht zu vermeiden sein; hierdurch treten zusätzliche Fehler in der Meßanzeige
auf, die der Messende in ihrer richtigen Größe gar nicht abschätzen kann und durch
die solche Geräte bisher schon immer zu großen Schwierigkeiten Anlaß gaben. Eine
weitere Fehlerquelle der bekannten Anordnung bildet auch die Reibungsstelle zwischen
einer dort benutzten Vorschubdruckmeßdose und dem Stahlhalter. Diese ist bei der
erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Wälzseitenführung, beispielsweise in Form
einer Wälzkörper- oder einer Rollenführung, vermieden. " Die Messung lediglich der
Hauptschnittkraft scheint insofern vollkommen gerechtfertigt, als nach eingellenden
und bestätigten Versuchen das Verhältnis von Hauptschnittkraft, Schaftkraft und
Vorschubkraft nahezu konstant ist.
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Ein weiterer Grund, lediglich die Hauptschnittkraft zu messen, liegt
darin, daß nur die Hauptschnittkraft und die Vorschubkraft für den Energieverbrauch
der Werkzeugmaschine in, Betracht kommen: Da die Wege der Vorschubkraft und Schaftkraft
im -Verhältnis zu denen der Hauptschnittkraft verschwindend gering sind, ist auch
der Anteil der Vorschubkraft und Schaftkraft an der aufzubringenden 1 Leistung äußerst
gering und kann deshalb bei betriebsmäßigen Messungen ohne weiteres vernachlässigt
werden.
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Zudem kommt die Einkomponenten-(Haupt-) Schnittkraftmessung den normalen
betriebsmäßigen Schnittbedingungen am nächsten. Es muß nämlich der Meißel in jeder
Richtung, in der eine Kraft gemessen werden soll, einen entsprechenden Weg zurücklegen.
-Nun soll aber während des Betriebes der Meißel möglichst starr eingespannt sein.
Diese Bedingung ist natürlich mit einer Beweglichkeit des Meißels in drei Richtungen
entsprechend dem Dreikomponentenmeßverfahren in keiner Weise, bei der Einkomponentenmessung
dagegen in großer Annäherung zu erfüllen. So sind bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
die Verhältnisse des normalen Schnittdruckes dadurch fast exakt genau nachgeahmt,
daß der starr eingespannte Meißel weder in Richtung der Vorschubkraft noch in Richtung
der Schaftkraft eine den Spanquerschnitt verkleinernde Bewegung ausführen kann.
Die allein vollziehbare Bewegung erfolgt in Richtung der Hauptschnittkraft. Diese
Bewegung ist aber so gering, daß sie die normalen Schnittbedingungen nicht verfälscht.
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Außerdem wird bei einer Meißelanordnung, die entsprechend der letzterwähnten
bekannten Vorrichtung eine Bewegungsfreiheit in drei Richtungen zuläßt, die Reibung
so groß, daß ein einwandfreies Messen zumal kleiner Kräfte nicht oder höchstens
nur mit einem großen Geräteaufwand möglich ist.
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Die Lagerung des Werkzeugträgers in einem Wälzlager trägt ebenfalls
zur Vermeidung störender Reibungen bei. Statt dessen kann er auch in bekannter Weise
mittels einer Blattfeder gelagert werden. Die Federlagerung gestattet die Ausübung
einer unter Umständen erwünschten Vorspannung auf die Meßbiegefeder. Bei einer Wälzlagerung,
z. B. einer Kugel- oder Walzenlagerung, kann zu diesem Zweck auch eine besondere
Vorspannfeder vorgesehen werden.
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Wird der Werkzeugträger in einem Gehäuse gelagert, das mit einer Auflagefläche
zum Befestigen auf der Werkzeiigaufspaiinplatte einer Werkzeugmaschine versehen
ist, so kann er erfindungsgemäß so ausgebildet werden, daß die an ihm vorgesehene
Auflagefläche für das Werkzeug in der Ebene der Auflagefläche des Gehäuses liegt.
Es kommt diese Maßnahme jener Voraussetzung für eine richtige Messung der Schnittkräfte
entgegen, die darin besteht, daß die Schneidespitze genau in Achsenhöhe der Drehbank
eingestellt ist. Da der Spannschaft eines Schnittkraftmessers von einer gewissen
Stärke ist, ; konnte bei allen bisher bekanntgewordenen Konstruktionen nur mit Schwierigkeit
verhindert
werden, daß die Meißelspitze oberhalb der Drehbankachse
lag. Meistens mußten die Oberschlitten des Support abmontiert bzw. erheblich durch
Abhobeln geschwächt werden, ehe man den Stahlhalter aufspannte.
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Der umgekehrte Fall; daß die Schneidenspitze tiefer als die Drehachse
liegt, kommt in der Hauptsache bei sehr großen Bänken vor. Um auch hier mit der
Meißelspitze auf die Höhe der Drehachse zu kommen, braucht man nur entsprechende
Unterlagen unter die Aufspannfläche des Schnittkraftmessers zu legen. Diese entsprechen
dann den beim üblichen Drehvorgang unter den normalen Drehmeißel gelegten Unterlagen.
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Die Messung der dem Schnittdruck proportionalen Durchbiegung der Meßbiegefeder
kann in beliebiger Weise erfolgen. So kann man z. B., wie bisher üblich, Druckmeßdosen
o. dgl. benutzen, die durch eine als Meßbiegefeder dienende Membran abgeschlossen
sind und die Meßorgane enthalten. Dies hat aber den Nachteil, daß ein Auswechseln
der Meßbiegefeder zwecks Änderung des Meßbereiches schwierig ist, so daß man in
diesem Falle besser die ganze Meßdose gegen eine andere austauscht. Anderseits sind
die Meßorgane bei den Meßdosen schwer zugänglich. Dies läßt sich gemäß der Erfindung
dadurch vermeiden, daß die von dem Schnittdruck beeinflußte Meßfeder einerseits
und die die Bewegung des Werkzeugträgers messenden Organe andererseits getrennt
voneinander auf verschiedenen Seiten -des Werkzeugträgers angeordnet sind.
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Zu diesem Zweck könnte der Werkzeugträger z. B. im Inneren des Gehäuses
an einer kräftigen Zugfeder aufgehängt sein, während an der gegenüberliegenden Seite
die Meßorgane angeordnet sind. Vorzuziehen ist aber im allgemeinen eine Anordnung,
bei der der Werkzeugträger in einem Gehäuse gelagert ist, das auf der einen Seite
eine durch den Werkzeugträger belastete Meßfeder und auf der Gegenseite Meßorgane
zum Messen des Abstandes des Werkzeugträgers von dem Gehäuse enthält.
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Eine solche Anordnung trägt dein Umstand Rechnung, daß, von der Ebene
der Meißelaufläge nach abwärts gerichtet, auf Drehbänken bekanntlich sehr wenig
Platz zur Verfügung steht. Seine Ursache hat dies in der notwendigen Höhe von Schlittenführungen
usw, Hierdurch ist man beim Bau der bisherigen Schnittkraftmesser stets sehr beengt
in der Anordnung der Meßorgane gewesen. Indem die Erfindung jedoch diese Meßorgane
in ziemlich beträchtlicher Höhe auf die Oberseife des Werkzeugträgers verlegt, schafft
sie sie an eine Stelle, wo gewissermaßen unbegrenzter Raum zur Verfügung steht.
Vorzugsweise erfolgt die Messung der Federdurchbiegung auf elektrischem Wege, nämlich
mit Hilfe einer Anordnung, bei der der Luftspalt in dem Eisenkern einer Drosselspule
oder eines Transformators unter dein Einfluß der Federdurchbiegung geändert wird.
Mit dem Werkzeugträger kann dann ein mit einer Wicklung versehener Eisenkern verbunden
sein, dem ein zweiter ,ebenfalls mit .einer Wicklung versehener Eisenkern derart
gegenübersteht, daß der in dem so gebildeten Transformatorkern vorgesehene Luftspalt
mit zunehmendem Schnittdruck sich vergrößert.
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Der Erfolg dieser Maßnahme besteht darin, daß erstens die elektrischen
Anzeigemöglichkeiten .infolge der inneren Charakteristik der Meßeinrichtung bei
den kleinen Anfangsdrücken genauere Anzeigewerte ergeben und daß zweitens bei einem
etwaigen Bruch im Gerät die Meßdose nicht durch Zusammenschlagen und Verbiegen ihrer
Innenteile beschädigt werden kann. Die Anordnung ergibt also einen selbsttätigen
Überlastungsschutz.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
im Schnitt dargestellt. Dabei ist das als Drehstahl gezeichnete Werkzeug mit i,
der es aufnehmende, als Werkzeugträger dienende Stahlhalter mit 2, ein diesen sowie
die übrigen Teile der Vorrichtung umschließendes Gehäuse mit 3 und die Aufspannplatte
der Werkzeugmaschine mit 4. bezeichnet. Der Stahlhalter 2 ist hebelartig gestaltet
und an seinem hinteren Ende in dem Gehäuse 3 gelagert. Zu diesem Zweck ist in dein
Gehäuse ein Bolzen 5 befestigt, um den der Stahlhalter 2 mittels eines Kugellagers
drehbar ist.
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Der vordere Teil des Gehäuses 3 ist erweitert zur Aufnahme einer Meßbiegefeder
und der Meßorgane, wobei die Meßbiegefeder unterhalb und die Meßorgane oberhalb
des Stahlhalters 2 angeordnet sind. Seitlich von dem Stahlhalter sind sowohl in
dem Stahlhalter selbst als auch in dem Gehäuse Nuten vorgesehen, in denen Kugelführungen
6 angeordnet sind, die ein seitliches Ausweichen des Stahlhalters verhindern. Dieser
ist an seinem vorderen Ende mit einer Ausnehmung zur Aufnahme des Drehstahls i versehen,
der durch- Druckschrauben 7 festgespannt werden kann. Dabei ist die. Auflagefläche
für den Drehstahl i durch entsprechende Gestaltung des vorderen Endes des Stahlhalters
:z so angeordnet, daß sie in der Auflagefläche _ des Gehäuses 3 auf der Aufspannplatte
.I liegt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. i ist als Meßbiegefeder eine
Plattenfeder S vorgesehen, die auf zwei Bolzen 9, io ruht, die in der unteren Erweiterung
des Gehäuses 3 in Kugellagern drehbar sind. Um die Plattenfeder 8 unter dem Einfluß
des Schnittdruckes
durchzubiegen, ist an der Unterseite des Stahlhalters
2 ein Druckstück i i vorgesehen. Die Plattenfeder 8 ruht im übrigen zwanglos auf
den Bolzen g, Io und wird in der gezeichneten Lage durch eine eine Einführungsöffnung
abschließende Kappe 12 unter Zwischenschaltung einer leichten Feder 13 gehalten.
Dadurch ist die Meßfeder leicht auswechselbar und kann gegebenenfalls zwecks Änderung
des Meßbereiches durch eine andere ersetzt werden. Um bei Überlastungen eine zu
starke Durchbiegung der Plattenfeder 8 zu vermeiden, ist im Gehäuse 3 ein als Sicherheitsanschlag
wirkender Bolzen 14 befestigt.
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Die Meßorgane bestehen aus den beiden durch einen Luftspalt voneinander
getrennten Eisenkernen 15 und 16 eines Transformators, wobei jeder der beiden Kerne
eine Wicklung 17 bzw. 18 trägt. Durch gestrichelt angedeutete Leitungen stehen die
Wicklungen mit in dem hinteren Teil des Gehäuses 3 isoliert angeordneten Durchführungsanschlüssen
I9 in Verbindung. Der Kern 15 ist in einer beliebigen, nicht dargestellten Weise
an der Oberseite des Stahlhalters 2 und der Kern 18 in ähnlicher Weise im Innern
eines abnehmbaren Teiles 2o des Gehäuses 3 befestigt.
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Um die Auflage des Stahlhalters :2 auf der Meßbiegefeder 8 unabhängig
von Erschütterungen zu sichern und eine gegebenenfalls einstellbare Vorspannung
auf die Meßbiegefeder auszuüben, ist eine durch eine Schraube :21 einstellbare Druckfeder
:22 vorgesehen. Über eine Anschlagschraube 23 werden gegebenenfalls auftretende
nach oben gerichtete Kräfte auf das Gehäuse 3 übertragen.
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Wenn auf den Drehstahl s bei der Zerspanung des Werkstückes eine Schnittkraft
einwirkt, so wird die Hauptschnittkraft als Druck über den Stahlhalter :z auf die
Plattenfeder 8 übertragen, wobei diese in der Mitte durchgebogen wird. Infolgedessen
vergrößert sich der Luftspalt zwischen den Eisenkernen 15 und 16. Die Wicklungen
17 und 18 der beiden Kerne sind nun so geschaltet, daß sie die Primär- bzw. Sekundärwicklung
eines Transformators bilden, wobei die in der Sekundärwicklung erzeugte Wechselspannung
mit zunehmendem Luftspalt, also zunehmendem Schnittdruck abnimmt. Mittels einer
an sich bekannten elektrischen Meßeinrichtung kann dann der Schnittdruck gemessen
und an der Skala eines elektrischen Meßinstrumentes gegebenenfalls unmittelbar abgelesen
werden.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem beschriebenen
lediglich durch die Anordnung der Meßbiegefeder. Diese ist hier nicht auswechselbar
angeordnet, sondern als einseitig um einen Bolzen 24 im Gehäuse 3 gelagerter federnder
Hebel a5 ausgebildet. der andererseits auf einem zweiten im Gehäuse befestigten
Bolzen 26 aufliegt. An seinem freien Ende ist der Hebel 25 durch ein an dem Stahlhalter
2 vorgesehenes Druckstück 27 auf Durchbiegung beansprucht. Als Sicherheitsanschlag
ist ein weiterer Bolzen 28
im Gehäuse befestigt. Um auch bei dieser Anordnung
den Meßbereich ändern zu können, sind ein oder mehrere zusätzliche Bohrungen 26'
vorgesehen, in die' der Auflagebolzen 26 gegebenenfalls eingeführt werden kann.
Dadurch wird die wirksame Länge für die Durchbiegung des Hebels 25 und damit auch
die Größe der Durchbiegung bei gleicher Größe des Schnittdruckes verändert.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich
auf diese Weise vorteilhaft von den bisher bekanntgewordenen Schnittkraftmessern.
Bei diesen müssen zwecks Änderung des Meßbereiches stets größere Montagearbeiten
zur Auswechselung von Platten, Federn u. dgl. vorgenommen «-erden, die zudem eine
umständliche Neueichung bedingen.