Messung von Zerspankräften Optimierte Werkzeuge: zuverlässige Messtechnik

Ein neu entwickeltes Werkzeug-System von Ceratizit ermöglicht die Herstellung von komplexen Geometrien mit nur einem Werkzeug. Während der Testreihe wurden die auf die Schneide wirkenden Kräfte mit Messtechnik von Kistler erfasst. Das Dynamometer lieferte dabei zuverlässige Werte.

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Die Spezialisten von Ceratizit haben eine neue Bearbeitungsmethode entwickelt, welche die Drehbearbeitung revolutionieren soll. Mit High Dynamic Turning (HDT) und den dazugehörigen FreeTurn-Werkzeugen lässt sich der Schneidkopf frei bewegen und so der Anstellwinkel der Schneide zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung frei wählen. Die FreeTurn-Werkzeuge verfügen über eine neuartige Wendeschneidplatte, welche aus mehreren verschiedenen Schneiden bestehen kann. Das ermöglicht sowohl eine ziehende als auch eine schiebende Bearbeitung der Werkstücke. Der Span kann zusätzlich optimal gebrochen und aus der Schnittzone gelenkt werden. Dank HDT sind alle bekannten Drehoperationen wie Schruppen, Schlichten, Konturdrehen, Plan- und Längsdrehen mit nur einem Werkzeug möglich. Jede Kontur eines Drehbauteils kann also erzeugt werden, ohne dass das Werkzeug abgesetzt werden muss. Somit können Bauteile zukünftig mit einem einzigen FreeTurn-Werkzeug fertig bearbeitet werden, wo früher eine Vielzahl an unterschiedlichen Werkzeugen notwendig waren. Werkzeugwechsel und auch Leerwege von Werkzeugen werden stark reduziert, was zu höherer Produktivität führt. Zudem werden die Werkzeugkosten drastisch reduziert.

Sensorik

Wie ein Piezo-Kraftsensor bei der Werkzeugüberwachung hilft

Neue Werkzeuganstellung – höhere Prozess­parameter

Ein weiterer Vorteil von HDT ist die neue Werkzeug­anstellung, welche die Schnittkraft senkrecht durch das Werkzeug direkt in die Spindel lenkt. So wird die Maschine weniger belastet und es kann mit höheren Prozessparametern gearbeitet werden. Durch den frei wählbaren Anstellwinkel verlängert sich die Lebensdauer der Schneide zusätzlich. Die ersten Tests verliefen erfolgreich, sodass das System aktuell für den Serieneinsatz freigegeben wird. Dazu sind die Entwickler von Ceratizit auf detaillierte und zuverlässige Werte über die aufkommenden Kräfte angewiesen. Diese Daten sind erforderlich, um das Verständnis der Werkzeugeigenschaften im Zerspanungsprozess zu verbessern. Vor allem Maschinen- und Steuerungshersteller sowie CAM-Software­anbieter benötigen diese Informationen, um ihre Entwick­lungen zielgerichtet vorantreiben zu können.

Umfangreiche Testreihe mit Unterstützung von Kistler

Bereits seit über 30 Jahren vertraut Ceratizit auf Lösungen von Kistler. Auch bei diesem Projekt leisteten Produkte des Messtechnikspezialisten aus Winterthur einen wichtigen Beitrag. Zur Messung der Zerspankräfte kam das rotierende 4-Komponenten-Zerspankraft-Dynamometer (RCD) Typ 9171A zum Einsatz. Das modular aufgebaute Messgerät ist kompatibel mit sämtlichen gängigen Maschinenspindeln. Es misst die auf die Schneide wirkenden Kräfte in allen drei Achsen und berechnet basierend darauf auch das Drehmoment. Dank piezoelektrischer Sensorik verfügt das RCD über eine sehr hohe Abtastrate und Sensitivität über einen extrem breiten Kraftbereich. Das garantiert aussagekräftige und präzise Messdaten. Die Messwert- und Energieübertragung erfolgt berührungslos und ist daher verschleissfrei. Die Messkette wurde komplettiert durch den Signalaufbereiter Typ 5238B. Beim Testaufbau bei Ceratizit ist er für die Energieversorgung, Signalübertragung und Steuerung des Systems verantwortlich. Sowohl Messbereiche wie auch Einstellungen am Tiefpassfilter erfolgen manuell am Signalaufbereiter oder über die serielle Schnittstelle. Die Ansteuerung des Systems sowie die Erfassung der Daten erfolgt über die Software Dynoware von Kistler. Die Messsignale stehen zusätzlich als analoge Spannungssignale ±10 Volt zur Verfügung.

Zerspankraft-Messgerät von Kistler liefert zuverlässige Werte

Die Versuche fanden im Sommer 2019 im Innovation Center von Ceratizit Austria GmbH in Reutte (Österreich) statt. Zuerst galt es, sich an die maximale Leistungsfähigkeit des HDT-Systems heranzutasten. Dazu wurden unterschiedliche Werte für Vorschub und Schnitttiefe gewählt. Nach und nach wurden dann steilere Anstellwinkel des FreeTurn-Werkzeugs eingestellt. Das Dynamometer von Kistler lieferte dabei zuverlässig detaillierte Werte über die auftretenden Kräfte. Sie wurden mit den Ergebnissen eines konventionellen Drehwerkzeugs vom Typ PCLNL 2525 M12 verglichen. Das Projekt wurde vom für Zerspanprozesse zuständigen Applikationsingenieur Lukas Janotta der Firma Kistler direkt vor Ort begleitet. Er beriet die Ingenieure von Ceratizit bei den Versuchsreihen. Mit Hilfe der Software Dynoware von Kistler konnten die auftretenden Kräfte detailliert dargestellt, protokolliert und analysiert werden. Dadurch war es möglich, die Resultate der bereits durchgeführten Simulationen mit realen Messwerten zu validieren. Somit erhielt der Kunde einen tiefen Einblick in die bis dato verborgenen Zerspankraftzustände.

Interview mit Dr. Uwe Schleinkofer, Head of R&D Cutting Tools

SMM: Herr Dr. Schleinkofer, was war die Initialzündung für High Dynamic Turning (HDT)?

Dr. Uwe Schleinkofer: Unsere Triebkraft am Anfang des Projekts war es, das Drehen zu verändern. Bis dahin fanden Drehbearbeitungen mit starr gespannten Werkzeugen statt. Dies erwies sich als unflexibel, so dass man mehrere Werkzeuge in den Einsatz bringen musste, um komplexe Formen zu realisieren. Dies wollten wir mit dem neuen System ändern. Es sollte die Flexibilität sowie die Effizienz steigern und somit Kunden zahlreiche Vorteile bringen.

Mit welchen Herausforderungen sahen Sie sich konfrontiert?

U. Schleinkofer: Als wir am Anfang die Idee für einen beweglichen Schneidkopf hatten, mussten wir zuerst nach einem geeigneten Dreh-Fräs-Zentrum suchen. Kein Hersteller konnte uns damals eine Maschine zur Verfügung stellen, welche unsere Bedürfnisse erfüllte. In der Zwischenzeit ist die Entwicklung der Werkzeugmaschinen wie auch die Digitalisierung und Industrie 4.0 weiter vorangeschritten. So konnten wir uns 2017 erstmals an die Realisierung unseres Projekts wagen. Da es ein vergleichbares System vorher nicht gab, stellten die ersten Versuchsreihen ebenfalls eine grosse Herausforderung dar. Wir konnten uns nicht an klassischen Dreh-Zyklen orientieren und hatten somit keinerlei Erfahrungswerte. Wir haben sozusagen komplett Neuland betreten: neue Prozesse, neue Werkzeugsysteme und ein neues Wendeschneidplattendesign – alles bedingt durch die grosse Einsatzvariabilität.

Wie hat der Markt auf Ihre Idee reagiert?

U. Schleinkofer: Wir wollten das Produkt so präsentieren, dass der Markt das enorme Potenzial von HDT erkennt. Als wir 2018 erstmals einen Prototyp vorgestellt haben, wurde er von der Öffentlichkeit als Sensation wahrgenommen. Er hat grossen Anklang am Markt gefunden, so dass sich zahlreiche Interessenten aus unterschiedlichen Bereichen mit uns in Verbindung gesetzt haben. Aktuell arbeiten wir daran, der fulminanten Anzahl an Anfragen Genüge zu tun. Wir sind überzeugt davon, dass HDT das Drehen revolutionieren wird. Allerdings muss diese Idee von den unterschiedlichen Industriezweigen interpretiert werden. Softwarehersteller zum Beispiel benötigen einen direkten Zugang zu unseren Entwicklern, damit sie geeignete Steuersoftware für das System programmieren können. Wir arbeiten daher sehr offen mit vielen verschiedenen Unternehmen zusammen, damit sich unsere Lösung am Markt etablieren kann. Wir haben sozusagen die technologische Welt eingeladen, das Drehen zu verändern.

Welche Anforderungen haben Sie an die Messtechnik gestellt?

U. Schleinkofer: Sehr hohe, da wir reelle Messwerte brauchen, auf die nicht nur wir, sondern auch unsere Kunden und Partner vertrauen können. Aus diesem Grund setzen wir Messtechnik von Kistler ein. Sie hilft uns, das Verhalten von Werkzeugen während des Einsatzes zu verstehen, insbesondere von neuen Werkzeugen oder neuen Materialien. Gleichzeitig ist Kistler bekannt als ein zuverlässiger Hersteller von präziser Messtechnik. Die Werte, die durch Messtechnik von Kistler ermittelt werden, sind plausibel. Die Industrie vertraut ihnen. Somit sind wir in der Lage, verlässliche Werte an Maschinen- und Spindelhersteller zu liefern, denen diese vertrauen.

Wie zufrieden sind Sie mit der Unterstützung von Kistler?

U. Schleinkofer: Wir sind sehr zufrieden mit der Unterstützung von Kistler. In letzter Zeit haben deren Spezialisten für Zerspankraftmessung ihre Aktivitäten am Markt verstärkt. Daher profitieren wir jetzt von einem noch umfassenderen Service. Er ist schnell, zuverlässig und kompetent.

Wie fällt Ihr Fazit zum Projekt aus?

U. Schleinkofer: Wir wollen das Drehen verändern und wir sind optimistisch, dass es funktionieren wird. HDT in Verbindung mit FreeTurn-Werkzeugen sind ein gravierender Schritt nach vorne. Wir sind uns aber auch bewusst, dass es schwierig sein wird, so gravierende Veränderungen herbeizuführen. Darum gehen wir mit grossem Respekt und Demut an die Aufgabe heran. Wir sind überzeugt, dass wir dies gemeinschaftlich mit den unterschiedlichen industriellen Kompetenzen schaffen werden. Wir haben auf der EMO in Hannover die ersten Späne auf kommerziell erhältlichen Dreh-Fräs-Zentren fliegen lassen und seitdem sind auch die Werkzeuge ab Lager erhältlich. Dadurch konnten wir viele Besucher am Messestand von dem hohen Potenzial unserer revolutionären Drehtechnologie überzeugen. -ari- SMM

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