300 % höhere WerkzeugstandzeitDie Studienergebnisse als

Fachbeitrag in der VDI-Z

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Die SCHUNK Hydro-Dehnspanntechnik im Vergleich

Sie haben Fragen zur SCHUNK Hydro-Dehnspanntechnik oder TENDO E compact?

SCHUNK GmbH & Co. KG Spann- und Greiftechnik

Bahnhofstr. 106 - 134D-74348 Lauffen/NeckarTel. +49-7133-103-2599 Fax +49-7133-103-2239 spanntechnik@de.schunk.comwww.schunk.com

Mit Vollgas fräsen!TENDO E compact - Hydro-Dehnspanntechnik für jede Anwendung, für jede Schneide

Bis zu 300 % höhere Werkzeugstandzeiten** belegt diese Studie des wbk, Institut für Produktionstech-nik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Veröff entlicht wurde die Studie in der VDI-Z, August 2014.

• Bis zu 300 % höhere Werkzeugstandzeiten

• Höchste Drehmomente, jetzt bis 2.000 Nm bei Ø 32 mm unter trockenen Spannbedingungen, 900 Nm bei öligem Werkzeugschaft

• Beste Oberfl ächen – keine Rattermarken

• Minimierte Geräusch-Emission

• Reduzierte Werkzeugkosten

• Sekundenschneller Werkzeugwechsel ohne Peripheriegeräte

• Dauerhaft er Rundlauf und Wechselwiederhol- genauigkeit < 0,003 mm

www.schunk.com/tendo-e-compact

holung auf allen Bearbeitungszentren stati-stisch abgesichert.Im nächsten Arbeitsschritt folgte der Ver-gleich der beiden Spannsysteme hinsichtlich der (bei Hochleistungszerspanung erreich-baren) Werkzeugstandzeiten. Hierfür wurden jeweils so lange Vollnuten mit einer Tiefe von 12 mm gefräst, bis die Verschleißmar-kenbreite auf der Nebenfreifläche des Frä-sers einen Wert von 50 µm erreicht hatte. Die Verschleißmarkenbreite wurde mit ei-nem Lichtmikroskop aufgenommen und ver-messen. Mit den Ergebnissen konnte das insgesamt zerspante Volumen für die beiden Werkzeughalter berechnet und verglichen werden.

Untersuchung des zugrun de liegenden DämpfungsverhaltensDas Dämpfungsverhalten der beiden Werk-zeughaltersysteme wurde mittels Modal- und Betriebsschwingungsanalysen, Bild 1, erfasst und verglichen. Bei der Modalanalyse wurden die Beschleunigungen am Werk-zeugeingriffspunkt in allen drei Raumrich-tungen aufgenommen und zu einem nor-

Vergleich von Produktivität und WerkzeugstandzeitUm den Einfluss der beiden Werkzeughaltersysteme auf Pro-duktivität und Werkzeugstandzeit zu analysieren, wurden Fräsver-suche mit Werkzeughaltern der Firma Schunk durchgeführt. Als WSS wurde ein „Celsio SSF“ (HSK-A63 beziehungsweise A100 Ø12) und als HDDS ein „Tendo SDF-E compact“ (HSK-A63) beziehungs-weise „Tendo SDF“ (HSK-A 100 Ø12) verwendet. Für alle Experimente wurden Schaftfräser des Typs Walter

„H4138217-12-0,5“ beziehungsweise -1 genutzt. Zur Absicherung der Ergebnisse kamen verschiedene Bear beitungszentren (MAG „NBH630“, Heller „MC16“ und Chiron

„FZ15 S“) zum Einsatz.Für den Vergleich der Produktivität wurde das maximal mögliche Zeitspanvolumen bei gleichwertiger Oberflächenqualität gegen-übergestellt. Hierzu wurde zunächst ein Re-ferenzwerkstück aus 16MnCr5 definiert, in welches eine Halbnut im Gleichlauf und drei Vollnuten mit Schnitttiefen von 6 mm, 12 mm und 18 mm gefräst wurden. Aus Vorversuchen war bekannt, dass bei den durch den Werkzeughersteller vorgegebenen maximal zulässigen Schnittparametern das HDSS bessere Oberflächenqualitäten liefert als das WSS. Dies erlaubte es, die unter Ver-wendung des HDSS erreichte Oberfläche als Referenzoberfläche zu definieren und bei Verwendung des WSS die Schnitt- und Vor-schubgeschwindigkeiten solange zu redu-zieren, bis eine mit dem HDSS vergleichbare Oberflächenrauheit erzielt wird. Durch den Vergleich des jeweils erreichbaren Zeitspan-volumens konnte so auf den Produktivitäts-unterschied geschlossen werden. Sämtliche Versuche wurden durch dreimalige Wieder-

Hydrodehnspannfutter verbessern Werkzeugstandzeit, Qualität und Produktivität

Spanntechnikvergleich bei der HochleistungszerspanungJürgen Fleischer, Volker Schulze, Frederik Zanger, Urs Leberle, Nikolay Boev und Andreas Spohrer, Karlsruhe

Die Qualität einer zerspanten Oberfläche wird maßgeblich durch fertigungsprozessbe-dingte Maschinenschwingungen beeinflusst. Diese „Prozess-Maschine-Interaktion“ wur-de bereits vielfach untersucht [1], wobei in den meisten Fällen der Einfluss der Prozes-skräfte auf die Maschinenschwingungen analysiert und mittels Stabilitätskarten dar-gestellt wurde [2]. Vereinfachende Annah-men bei der Abbildung der Maschinenstruk-tur führen dazu, dass bei den bislang durchgeführten Analysen der Einfluss der Werkzeughaltersysteme meistens vernach-lässigt wurde. Aufgrund der technischen Un-terschiede verschiedener Spannsysteme ist allerdings – insbesondere bei der Hochlei-stungszerspanung – ein signifikanter Ein-fluss auf die Prozess-Maschine-Interaktion und damit auf die Qualität des Bearbei-tungsergebnisses und die Werkzeugstandzeit zu erwarten.Die Hydro-Dehnspanntechnik (HDSS) nutzt für die Werkzeugeinspannung die Erhöhung des Fluiddrucks innerhalb des Spannfutters und die dadurch hervorgerufene elastische Verformung des fixierenden Werkstoffs. Bei der Warmschrumpftechnik (WSS) wird hinge-gen die thermische Ausdehnung bei Erwär-mung des Spannfutters genutzt, sodass nach dem Abkühlen des Systems eine Übermaß-passung entsteht.Ziel der durchgeführten Studie war der sy-stematische Vergleich von HDSS- und WSS-Technik hinsichtlich der maximal erreichba-ren Produktivität und der erzielbaren Werk-zeugstandzeit bei der Hochleistungszerspa-nung. Darüber hinaus wurde das Schwin-gungsverhalten der beiden Werkzeughalter-systeme untersucht, um den Einfluss des Dämpfungsverhaltens der beiden Systeme in die vergleichende Betrachtung mit einbezie-hen zu können.

In einer Studie wurden am wbk Institut für Produktionstechnik Werkzeug haltersysteme in Hydro-Dehnspanntechnik und Warm schrumpftechnik vergleichend gegenübergestellt. Der Fokus lag auf den bei der Hochleistungszerspanung bedeutsa-men Kriterien Produktivität und Werkzeugstandzeit.

Modalanalyse

Betriebsschwingungsanalyse

Messung

Messung

= Beschleunigungssenor

Bild 1

Modalanalyse und Betriebsschwingungsanalyse.

Die SCHUNK Hydro-Dehnspanntechnik im Vergleich

1VDI-Z 157 (2015), Nr. DOPPELJANUARWORT

Sonderdruck aus VDI-Z Integrierte Produktion, Special Werkzeuge August 2014

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mierten Beschleunigungs-Frequenzgang umgerechnet. Mit der Betriebsschwingungs-analyse konnten die während der Hochleis-tungszerspanung auftretenden Schwingun-gen sensorisch erfasst und mittels Fast-Fou-rier-Transformation (FFT) ausgewertet wer-den.

Ergebnisse der experimentellen ArbeitenIn den Fräsversuchen zeigten sich deutliche Unterschiede im Bearbeitungsprozess und dem resultierenden Bearbeitungsergebnis. Besonders auffällig waren ein bei Verwen-dung des WSS auftretender, lauter und hochfrequenter Pfeifton (f = 3300–3700 Hz) und demgegenüber die signifikant nied-rigere Geräuschemission bei Verwendung des HDSS. Eine Auffälligkeit im Bearbei-tungsergebnis war die überwiegend schlechtere Oberflächenqualität bei Verwen-dung des WSS, die sich bei tiefen Nuten in Form von Rattermarken noch verstärkte. Bild 2 zeigt ein exemplarisches Bearbeitungser-gebnis nach einer Hochleistungszerspanung mit WSS und HDSS.Ein beispielhaftes Ergebnis aus den Versu-chen zur Produktivitätsbestimmung, bei de-nen die nach Vorgabe des Werkzeugherstel-lers maximal zulässigen Schnittparameter zum Fräsen von Vollnuten mit 12 mm Tiefe eingesetzt wurden, ist in Bild 3 dargestellt. Das WSS liefert im Vergleich zum HDSS deut-lich schlechtere Ober flächenrau heiten. Auch

für die anderen Nuten ergaben sich auf al-len drei Werk zeugma schinen überwiegend schlechtere Oberflächenrauheiten bei der Verwendung des WSS. Eine Ausnahme bilde-ten lediglich die auf der Chiron gefrästen Halbnuten mit 12 mm Tiefe, bei denen die Warmschrumpftechnik etwas bessere Ergeb-nisse lieferte. Weiterhin sind in Bild 3 die mikroskopischen Aufnahmen der Oberflächen nach den Refe-renzversuchen darge stellt, woraus die bes-sere Qualität der mit dem HDSS erzeugten Oberfläche zu erkennen ist.

Einflüsse auf die OberflächenrauheitMit den experimentellen Ergebnissen war es möglich, den Einfluss der Vorschub- und Schnittge schwindigkeit auf die Oberflächen-rauheit mittels geeigneter Regressionsfunk-tionen zu beschreiben. Diese Funktionen wurden verwendet, um die jeweils optimale Parameterkombination aus Vorschub- und

Schnittgeschwindigkeit für das WSS zur Herstellung einer mit dem HDSS vergleichbaren Oberflächenqualität zu bestimmen sowie über zusätzliche Validierungsversuche abzusichern.In Bild 4 sind exemplarisch die auf dem Bearbeitungszentrum Heller MC16 erzielten Ergebnisse durch Auf-tragen der vergleichbaren Ra-Werte über dem Zeitspanvolumen darge-stellt. Sowohl auf der Heller MC16 als auch der MAG NBH630 ist mit dem Einsatz des Hydro-Dehnspannsy-stems eine durchschnittliche Produk-

tivitätssteigerung von 10 % möglich.

WerkzeugstandzeitIm weiteren Verlauf der Studie wurde die maximal erreichbare Werkzeugstandzeit bei Verwendung der beiden Werkzeug-spannsysteme untersucht. Bild 5 zeigt die Gegenüberstellung der jeweils erreichten Standzeiten. Deutlich zu erkennen ist, dass durch den Einsatz der HDSS eine Standzei-terhöhung bis zu 300 % gegenüber der WSS erreicht werden konnte.

SchwingungsanalyseBild 6 zeigt exemplarisch die Ergebnisse der Betriebsschwingungsanalyse bei der Herstel-lung von Vollnuten mit 18 mm Tiefe auf dem Bearbeitungszentrum Heller MC16. Während sich bei Verwendung des HDSS eine nur sehr schwache Anregung über das gesamte Fre-quenzband zeigt, treten bei Verwendung des WSS insbesondere im Frequenzbereich oberhalb von 2800 Hz teils sehr starke Anre-gungen auf. In diesem Frequenzbereich be-findet sich auch der während des Zerspa-nungsprozesses auftretende, hochfrequente Pfeifton.

Zeitspanvolumen [cm3/min]

+10%

90,00 100,00 110,00 120,00

2,00

1,50

1,00

0,50

0,00

R a [µ

m]

WSS SSF HSK-A 63HDSS SDF-EC HSK-A 63

HDSS

WSS

Gute Ober�äche

Rattermarken

Bild 2

Bearbeitungsergebnis nach Hochleistungs-zerspanung mit einem Warmschrumpffutter (WSS) und einem Hydro-Dehnspannfutter (HDSS).

Bild 3

Ra-Werte und mikroskopische Aufnahme auf der Gleichlaufseite der 12-mm-Vollnuten.

Bild 4

Produktivitätsvergleich bei der Bearbeitung auf der „Heller MC16“ für die Herstellung von 12-mm-Vollnuten.

Ober�ächenrauheit Ra [µm]

HDSS

Chiron WSS

Chiron HDSS

Heller WSS

Heller HDSS

MAG WSS

MAG HDSS

Referenzober�äche

WSS

WSS-Ober�äche

Bei Betrachtung der in Bild 7 dargestellten Beschleunigungs frequenzgänge fällt auf, dass sich ab Frequenzen über 1700 Hz bei der Verwendung des HDSS überwiegend ge-ringere Beschleunigungsamplituden einstel-len. Ab circa 2500 Hz lässt sich sogar eine um bis zu vier-fach bessere Dämpfung des HDSS feststellen. Im unteren Frequenzbereich zeigen beide Werkzeughaltersysteme ein ähnliches Dämpfungsverhalten mit teilweise leichten Vorteilen des WSS.Durch die bei den experimentellen Versu-chen erzielten Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass die HDSS im Vergleich zur WSS überwiegend bessere Dämpfungseigenschaf-ten bietet. Dies führt zu dem Ergebnis, dass die bearbeiteten Bauteiloberflächen besser und die Werkzeugstandzeiten erhöht sind. Die Dämpfungseigenschaften werden insbe-sondere im hohen Frequenzbereich in Form einer deutlich geringeren Geräuschemission bei der Hochleistungszerspanung mit der HDSS deutlich.

ZusammenfassungIn einer Studie wurden Werkzeug-haltersysteme in HDSS- und WSS-Technik vergleichend gegenüber gestellt. Bei Fräsver-suchen konnte gezeigt werden, dass der Einsatz der HDSS-Technik bei gleicher Ober-flächenqualität höhere Schnitt- und Vor-schubgeschwindigkeiten erlaubt, womit eine Produktivitätssteigerung im Vergleich zur WSS-Technik ein hergeht. Darüber hinaus war durch den Einsatz der HDSS bei gleichen Schnittbedingungen eine deutliche Erhöhung der Werkzeugstandzeit möglich. Die erzielten Ergebnisse wurden abschlie-ßend um Modal- und Be triebs -schwingungsanalysen ergänzt. Hierbei wur-den die Dämpfungseigenschaften beider Werkzeughaltersysteme quantitativ vergli-chen, wobei ein überwiegend besseres Dämpfungsverhalten der HDSS-Technik fest-gestellt wurde.

Werkzeugstandzeit Vollnut 12 mm

Werkzeugstandzeit [%]

+220%

+260%

+300%

0 100 200 300 400 500

WSS

HDSS auf MAG-NBH 630

HDSS auf Chiron FZ 15 S

HDSS auf Heller MC16

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000Frequenz [Hz]

Heller MC16 – Vollnut 18 mmHDSSvc = 141 m/minfc = 767 mm/min

Heller MC16 – Vollnut 18 mmWSSvc = 141 m/minfc = 767 mm/min

Frequenz [Hz]

Besc

hle

unig

ung

[g]

Besc

hle

unig

ung

[g]

12

10

8

6

4

2

0

12

10

8

6

4

2

0

0 1000 2000 3000 4000

HDSS-HSK-63_12mm

WSS-HSK-63_12mm

Frequenz [Hz]

Bis zu vierfache Dämpfung

Vorteil HDSS

Ampl

itud

e [g

/N]

4

3

2

1

0

Bild 5

Gegenüberstellung der maximal möglichen Werkzeugstandzeit

(Ergebnisse für die 12-mm-Vollnuten).

Bild 6

Angeregte Betriebsschwingungen mit HDSS

(oben) und WSS (unten).

Bild 7

Beschleunigungsfrequenzgänge am Werkzeugeingriffspunkt auf der Heller MC16.

Die SCHUNK Hydro-Dehnspanntechnik im Vergleich

Autoren Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer, Jahrgang 1961, studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe (TH). Seit 2003 ist er Institutsleiter am wbk Institut für Produktionstechnik in Karlsruhe.

Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze, Jahrgang 1965, studierte Maschinenbau an der Universität Karlsruhe (TH). Seit 2010 ist er Institutsleiter am wbk.

Dr.-Ing. Frederik Zanger, Jahrgang 1982, studierte Ingenieurpädagogik Maschinenbau und Mathematik an der Universität Karlsruhe (TH). Seit 2012 ist er Oberingenieur des Forschungsbereichs Fertigungs- und Werkstofftechnik am wbk.

Dipl.-Ing. Urs Leberle, Jahrgang 1982, Dipl.-Ing. Nikolay Boev, Jahrgang 1978, und Dipl.-Ing. Andreas Spohrer, Jahrgang 1987, studierten Maschinenbau am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und sind als wissenschaftliche Mitarbeiter am wbk tätig.

Literatur 1] Brecher, C.; Esser, M.; Witt, S.: Inter-action of manu fac turing process and machine tool, CIRP Annals – Manufacturing Technology 58 (2009), S. 588–607.

[2] Uhlmann, E.; Rasper, P.: Influences on specific cutting forces and their impact on the stability behavior of milling processes. Production Engineering – Research and Development 5 (2011), S. 175–181.

Jens Lehmann, deutsche Torwartlegende,seit 2012 Markenbotschafter des Familien-unternehmens SCHUNK für präzises Greifenund konzentriertes, sicheres Halten.www.de.schunk.com/Lehmann

Bahnhofstr. 106 - 134D-74348 Lauffen/NeckarTel. +49-7133-103-2599 Fax +49-7133-103-2239

SCHUNK GmbH & Co. KG Spann- und Greiftechnik

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Konzentriertes, sicheres Halten an vorderster Front.

852 Minuten ohne Gegentor in der Champions League

681 Minuten ohne Gegentor im Nationaltrikot

2 gehaltene Elfmeter bei der WM 2006

1 Kopfballtor als Torwart

Mit 0 Niederlagen Englischer Meister

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