Leistungsfähigkeit und Gestaltungskriterien von Werkzeughaltern in der Zerspanung

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Zusammenfassung:

Diese Studie präsentiert theoretische Modelle und experimentelle Daten zur Untersuchung der dynamischen und statischen Leistung von Werkzeughaltern in der Zerspanung, ihrer Auswirkungen auf die Oberflächenqualität und ihrer Rolle beim Energieverbrauch.

1. Einführung

Werkzeughalter in der Zerspanung sorgen dafür, dass das Werkzeug während des Bearbeitungsprozesses stabil, präzise und vibrationsfrei arbeitet. Das Design dieser Komponenten hängt von Faktoren wie Moment (T), Schnittkraft (F), Steifigkeit (K) und Schwingungsfrequenz (ω) ab.

Beispielsweise kann die Steifigkeit eines Werkzeughalters wie folgt definiert werden:

K=FδK = \frac{F}{\delta}K=δF​

Wobei:

• FFF: Schnittkraft (N),

• δ\deltaδ: Verformung (mm).

2. Typen von Werkzeughaltern und Berechnung der Schnittkräfte

Die Schnittkraft ist einer der Hauptparameter im Zerspanungsprozess und wird wie folgt berechnet:

Fc=kc⋅AF_c = k_c \cdot AFc​=kc​⋅A

Wobei:

• FcF_cFc​: Schnittkraft (N),

• kck_ckc​: Schnittfestigkeitskoeffizient (N/mm²),

• AAA: Querschnittsfläche (b⋅hb \cdot hb⋅h).

Beispiel: Für Stahl mit kc=2000 N/mm2k_c = 2000 \, \text{N/mm}^2kc​=2000N/mm2, Spanbreite b=2 mmb = 2 \, \text{mm}b=2mm, Spantiefe h=0.1 mmh = 0.1 \, \text{mm}h=0.1mm:

Fc=2000⋅(2⋅0.1)=400 N.F_c = 2000 \cdot (2 \cdot 0.1) = 400 \, \text{N}.Fc​=2000⋅(2⋅0.1)=400N.

3. Dynamisches Verhalten: Schwingungen und Stabilität

Das Schwingungsverhalten von Werkzeughaltern hat direkte Auswirkungen auf die Oberflächenqualität und die Standzeit der Werkzeuge. Die Schwingungseigenschaften können wie folgt analysiert werden:

ωn=Km\omega_n = \sqrt{\frac{K}{m}}ωn​=mK​​

Wobei:

• ωn\omega_nωn​: Eigenfrequenz (rad/s),

• KKK: Steifigkeit (N/m),

• mmm: Masse (kg).

Hydraulische Halter und Schrumpfspannhalter erhöhen die Steifigkeit, steigern ωn\omega_nωn​ und reduzieren Vibrationen.

4. Einfluss auf die Oberflächenqualität

Die Exzentrizität (eee) des Werkzeughalters kann die Oberflächenrauheit erhöhen. Die theoretische Rauheit wird wie folgt berechnet:

Rt=f28r+eR_t = \frac{f^2}{8r} + eRt​=8rf2​+e

Wobei:

• RtR_tRt​: Oberflächenrauheit (µm),

• fff: Vorschub (mm/U),

• rrr: Werkzeugspitzenradius (mm),

• eee: Exzentrizität (mm).

Beispiel: Für e=0.01 mme = 0.01 \, \text{mm}e=0.01mm, f=0.2 mm/Uf = 0.2 \, \text{mm/U}f=0.2mm/U, r=1 mmr = 1 \, \text{mm}r=1mm:

Rt=0.228⋅1+0.01=0.015 mm.R_t = \frac{0.2^2}{8 \cdot 1} + 0.01 = 0.015 \, \text{mm}.Rt​=8⋅10.22​+0.01=0.015mm.

5. Energieverbrauch und Effizienz

Das Gewicht und die Balance des Werkzeughalters beeinflussen den Energieverbrauch bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen. Der Energieverbrauch wird wie folgt berechnet:

P=T⋅ωP = T \cdot \omegaP=T⋅ω

Wobei:

• PPP: Leistung (W),

• TTT: Drehmoment (Nm),

• ω\omegaω: Winkelgeschwindigkeit (rad/s).

Beispiel: Für T=2 NmT = 2 \, \text{Nm}T=2Nm, ω=100 rad/s\omega = 100 \, \text{rad/s}ω=100rad/s:

P=2⋅100=200 W.P = 2 \cdot 100 = 200 \, \text{W}.P=2⋅100=200W.

6. Experimentelle Ergebnisse

Eine Studie untersuchte die Schnittkräfte und Oberflächenqualität bei verschiedenen Werkzeughaltern:

Werkzeughaltertyp	Schnittkraft (N)	Oberflächenrauheit (µm)
Spannzangenhalter	420	0.02
Hydraulikhalter	400	0.015
Schrumpfspannhalter	380	0.01

7. Fazit und Empfehlungen

Die Auswahl und das Design von Werkzeughaltern sind in Zerspanungsprozessen von entscheidender Bedeutung. Dynamische Balance und Steifigkeit führen zu besserer Oberflächenqualität und geringerem Energieverbrauch. In Zukunft wird eine verstärkte Einführung intelligenter Werkzeughaltertechnologien erwartet.

Quellen und Zitate

• Schulz, H., & Hoffmeister, H. (2000). High-Speed Cutting: Fundamentals and Applications. Springer Verlag.

• Altintas, Y. (2012). Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design. Cambridge University Press.

• Günther, D., & Michels, M. (2015). Werkzeugspanntechnik in der Zerspanung. Carl Hanser Verlag.

• Sandvik Coromant (2020). Metal Cutting Technical Guide. Sandvik AB.

• DIN ISO Normen (2019). Tool Holders and Interface Standards in Metal Cutting. DIN Deutsches Institut für Normung.