Schleiftechnik

Mit fühlender Schleifspindel zu höherer Genauigkeit

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Auf der Basis von gemessenen Prozesskräften wird eine Online-Abdrängungskompensation beim Schleifen der Spannut von Hartmetallwerkzeugen ermöglicht. So kann der manuelle Rüstaufwand reduziert und die Abdrängung des Werkzeugrohlings kompensiert werden.

BEREND DENKENA, BENJAMIN BERGMANN UND HENNING BUHL

Für die Fräs- und Bohrbearbeitung von metallischen Werkstoffen werden maßgeblich Vollhartmetallwerkzeuge eingesetzt. Aufgrund der Härte des Werkstoffs und der hohen Anforderungen hinsichtlich der Maß-, Form- und Oberflächengenauigkeit der Werkzeuge, erfolgt die Herstellung meist durch Schleifprozesse. Aktuell ist zum Einrichten der Prozesse umfassendes Expertenwissen sowie ein hoher manueller Einrichtaufwand notwendig. Insbesondere beim Herstellen der Spannut bei Bohrern und Fräsern treten prozessbedingt Herausforderungen auf, die zu unzulässig hohen Maßund Formfehlern des Hartmetallwerkzeugs führen können. Die Spannut wird in einem Längsumfangs-Schleifprozess im Tiefschliff hergestellt. Dabei wird die vollständige Tiefe der Spannut in einem einzelnen Überschliff erzeugt. Die hohe Zustellung im Tiefschliff führt zu erhöhten Biegeverformungen.

Werkstückabdrängung reduzieren

In [1] wurde beispielhaft die Abdrängung des Werkzeugrohlings mit 100 mm Länge und einem Durchmesser von 10 mm während eines Schleifprozesses von zwei Spannuten ermittelt. Dabei konnte gezeigt werden, dass durch die Normalkraft Fn eine Abdrängung bis zu Δw1 = 200 µm bei der ersten Spannut und bis zu Δw2 = 300 µm bei der zweiten resultiert. Während der Bearbeitung wurde eine Normalkraft von 300 N gemessen (Bild 2, li.). Die Abdrängung im Prozess führt zu einer Gestaltabweichung, die außerhalb der zulässigen Toleranz liegt. Um die geforderte Genauigkeit zu erfüllen, ist daher die Werkstückabdrängung zu reduzieren. Darüber hinaus müssen der manuelle Einrichtaufwand und die Rüstdauer verringert werden, um die Produktivität der Herstellung von Hartmetallbohrern und -fräsern zu steigern.

Zwei unterschiedliche Strategien

Um den Auswirkungen der Abdrängung entgegenzuwirken, werden derzeit zwei unterschiedliche Strategien eingesetzt. Einerseits können mit einem iterativen Verfahren die Prozessparameter angepasst werden, um die vorgegebenen Toleranzen einzuhalten. Beispielsweise kann der Vorschub reduziert werden, sodass eine geringere Normalkraft zu einer geringen Abdrängung führt. Allerdings führt die Reduktion des Vorschubs zu einer Erhöhung der Bearbeitungszeit. Andererseits kann der Werkzeugrohling mit einer Lünette abgestützt und die Abdrängung somit verhindert werden. Die Lünette wird manuell an dem Rohling gegenüber der Eingriffszone der Schleifscheibe positioniert (Bild 2, re.). Beim Eingriff der Schleifscheibe wird ein wesentlicher Teil der Prozesskräfte von der Lünette aufgenommen und die Abdrängung des Werkzeugrohlings dadurch verhindert. Das manuelle Positionieren der Lünette erhöht die Nebenzeit. Beide Strategien bedingen eine geringere Produktivität durch erhöhte Fertigungszeiten.

Aufgrund des hohen Preisdrucks bei der Werkzeugherstellung ist daher eine neue Strategie erforderlich, um bei gleichbleibender Produktivität bereits mit dem ersten Werkstück die geforderten Toleranzen zu erfüllen. Mit einer dritten Strategie kann die Abdrängung bereits in der Prozessplanung auf Basis einer Prozesskraftsimulation berücksichtigt werden. Nachteilig ist dabei, dass die Berechnungen für jedes Werkzeug neu durchgeführt werden müssen und thermische Einflüsse sowie der Schleifscheibenverschleiß nicht berücksichtigt werden [2].

Direkte Messung der Prozesskräfte

Ein neuartiger Ansatz zum Verringern der Werkzeugabdrängung ist die Umsetzung einer Online-Abdrängungskompensation. Diese basiert auf einer direkten Messung der Prozesskräfte mit einer „fühlenden Spindel“. Zusätzlich erfolgt eine Echtzeitadaption der radialen Achszustellung zur Kompensation der Abdrängung. Dadurch gelingt es, bei hohem Vorschub die Werkzeuge präzise zu fertigen und die geforderten Toleranzen zu erfüllen. Für die Umsetzung dieses Ansatzes wird die Normalkraft gemessen. Zudem ist die quantitative Kenntnis über die Nachgiebigkeiten der Komponenten, beispielsweise des Rohlings, der Spindel und des Kreuztisches, erforderlich.

Gemeinsam mit dem Schleifmaschinenhersteller Vollmer wird die „fühlende Spindel“ in der Schleifmaschine V-Grind 360 für die Umsetzung eines adaptiven Schleifprozesses erforscht. Diese 5-Achs-Schleifmaschine zeichnet sich durch einen vertikal ausgerichteten X-Z-Kreuztisch aus, auf dem die Werkstückspindel montiert ist. Die Maschine verfügt über zwei übereinander angeordnete Werkzeugspindeln, die über die Y-Achse und die C-Achse positioniert werden (Bild 4). Während der Bearbeitung wird die Schleifscheibe über die Y-Achse und die C-Achse mit dem geforderten Anstellwinkel ausgerichtet. Die Helix der Spannut wird durch eine Kombination des Vorschubs der X-Achse und der Rotation der Werkstückspindel realisiert. Die zu adaptierende Zustellung Δz zur Kompensation der Abdrängung kann direkt mit der Z-Achse eingestellt werden.

Online-Kompensation ist möglich

Zur Realisierung der Kompensationsstrategie werden die in Bild 3 dargestellten Schritte umgesetzt. Zunächst wird die Normalkraft mit einer „fühlenden Spindel“ ermittelt. Diese liegt unmittelbar im Kraftfluss und weist somit eine hohe Sensitivität gegenüber den Prozesskräften auf. Die einzelnen Nachgiebigkeiten der wesentlichen Komponenten werden empirisch durch eine Modalanalyse bestimmt und in einem Nachgiebigkeitsmodell zusammengefasst. Auf Basis der Normalkraft und des Nachgiebigkeitsmodells wird die Abdrängung des Werkzeugrohlings Δw in Matlab/Simulink berechnet und die radial zu adaptierende Zustellung Δz ermittelt. Die angepasste Zustellung wird an die Maschinensteuerung der Schleifmaschine zur Kompensation der Abdrängung weitergegeben. Die Messung der Prozesskräfte, die Abdrängungssimulation sowie die Berechnung der angepassten Zustellung erfolgt im Maschinentakt, sodass eine Online-Kompensation während des Prozesses möglich ist.

Klassischerweise können die Prozesskräfte beim Schleifen mit geringem Aufwand über eine Kraftmessplattform am Werkstück oder mit einem Rotationsdynamometer am Werkzeug gemessen werden. Allerdings resultiert dadurch eine Beschränkung des Arbeitsraumes und es ist mit hohen Kosten verbunden. Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung der Prozesskräfte ist die Nutzung der Antriebsströme. Dabei ist jedoch eine aufwendige Modellierung notwendig. Daher wird ein maschinenfestes Messsystem zum Detektieren der Prozesskräfte auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) in der Spindel umgesetzt. Die DMS zeichnen sich dadurch aus, dass die Applikation an bestehenden Maschinenkomponenten ohne eine Beeinflussung der Steifigkeit möglich ist [3]. Des Weiteren weisen sie ein lineares Messverhalten zwischen elastischen Dehnungen aufgrund von Prozesskräften und der gemessenen Widerstandsänderung auf. Von Vorteil ist auch, dass nur ein geringer Bauraum benötigt wird und sie leicht an bestehenden Maschinenkomponenten appliziert werden können.

Sensorik geeignet platzieren

Um eine hohe Sensitivität der Kraftmessung mit geringer Störanfälligkeit zu erzielen, werden die DMS mit einer möglichst geringen Distanz zur Wirkzone der Prozesskräfte platziert. Daher wird die Spindelwelle der Werkstückspindel ausgewählt. Die Werkzeugspindel eignet sich nicht, weil die Fliehkräfte aufgrund hoher Drehzahlen unzulässig hohe Messfehler hervorrufen. Für die Auslegung und Umsetzung der sensorischen Spindelwelle kann auf die Expertise des IFW im Bereich der sensorischen Komponenten zurückgegriffen werden [4].

Die Platzierung der DMS in der werkstückseitigen Spindel wird mit Hilfe einer Simulation mit der Finite-Elemente-Methode in Ansys ausgelegt. Die Spindelwelle wird geometrisch mit den materialspezifischen Eigenschaften nachmodelliert. Die Lagerflächen auf dem äußeren Umfang der Spindelwelle werden als starr angenommen, sodass dort keine Dehnungen auftreten können. Die im Prozess radial wirkende Normalkraft wird durch den Krafttensor abgebildet. Er wirkt auf die Anschraubfläche für die Aufnahme des Werkzeugrohlings. Anhand der Simulation wurden die Positionen mit den maximalen Dehnungen an der Spindelwelle ermittelt. Diese dienen als mögliche Positionen für DMS zum Umsetzen einer hohen Sensitivität. Aus der Simulation geht hervor, dass an den Kerbstellen des Wellenabsatzes radiale Dehnungen von 6 bis 13 µm/m auftreten. Durch weitere Maßnahmen, wie das Einbringen von trapezförmigen Kerben auf dem Umfang des Wellenabsatzes, können Dehnungserhöhungen zur Steigerung der Sensitivität der DMS umgesetzt werden. Eine Designstudie und die Position der Kerben werden zukünftig analysiert.

Manuellen Rüstaufwand reduzieren

Mit der „fühlenden Spindel“ wird eine Kompensationsstrategie erforscht, die auf Basis von gemessenen Prozesskräften eine Online-Abdrängungskompensation bei der Schleifbearbeitung der Spannut von Hartmetallbohrern und -fräsern ermöglicht. Ziel dabei ist es, den manuellen Rüstaufwand zu reduzieren und die Abdrängung des Werkzeugrohlings zu kompensieren. Dadurch werden die hohen Fertigungsgenauigkeiten ab dem ersten Werkstück erreicht und die Produktivität gesteigert. Die Ermittlung der Prozesskräfte erfolgt auf Basis einer sensorischen Spindel mittels Dehnungsmessstreifen. Zusätzlich wird eine Prozessüberwachung entwickelt, um die Schleifscheiben bedarfsgerecht abzurichten. 

Literatur:

[1] Deichmüller, M., Denkena, B., De Payrebrune, K.M., Kröger, M., Wiedemann, S., Schröder, A., Carstensen, C.: Modeling of Process machine interactions in tool Grinding, Process Machine Interactions, Springer Berlin Heidelberg, S.143ff., 2013.

[2] Dittrich, M.-A., Böß, V., Wichmann, M., Denkena, B.: Simulation-based compensation of deflection errors in helical flute grinding, CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, 28, S. 136-143, 2020.

[3] Jun, M.B., Ozdoganlar, O.B., DeVor, R., Kapoor, S.G., Kirchheim, A., Schaffner, G.: Evaluation of a spindle-based force sensor for monitoring and fault diagnosis of machining operations, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 42/6, S.741-751, 2002.

[4] Denkena, B., Mörke, T.: Cyber-Physical and Gentelligent Systems in Manufacturing and Life Cycle. Genetics and Intelligence – Keys to Industry 4.0, Elsevier Fachverlag, 1, 2017.

Autoren: Prof. Dr.-Ing. B. Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Dr.-Ing. B. Bergmann leitet dort den Bereich Maschinen und Steuerungen und M. Sc. H. Buhl ist dort wissenschaftlicher Mitarbeiter.

Web-Wegweiser: ifw.uni-hannover.de vollmer-group.com