Maschinenbau von Makro bis Nano / Mechanical Engineering ... ?· ABSTRAKT Zur Zeit wird die Mikrozerspanung…

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50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium September, 19-23, 2005 Maschinenbau von Makro bis Nano /

Mechanical Engineering from Macro to Nano Proceedings Fakultt fr Maschinenbau / Faculty of Mechanical Engineering

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Impressum Herausgeber: Der Rektor der Technischen Universitt llmenau Univ.-Prof. Dr. rer. nat. habil. Peter Scharff Redaktion: Referat Marketing und Studentische Angelegenheiten Andrea Schneider Fakultt fr Maschinenbau

Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Peter Kurtz, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. med. (habil.) Hartmut Witte, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Lin, Dr.-Ing. Beate Schltter, Dipl.-Biol. Danja Voges, Dipl.-Ing. Jrg Mmpel, Dipl.-Ing. Susanne Tpfer, Dipl.-Ing. Silke Stauche

Redaktionsschluss: 31. August 2005 (CD-Rom-Ausgabe) Technische Realisierung: Institut fr Medientechnik an der TU Ilmenau (CD-Rom-Ausgabe) Dipl.-Ing. Christian Weigel

Dipl.-Ing. Helge Drumm Dipl.-Ing. Marco Albrecht

Technische Realisierung: Universittsbibliothek Ilmenau (Online-Ausgabe) Postfach 10 05 65 98684 Ilmenau

Verlag: Verlag ISLE, Betriebssttte des ISLE e.V. Werner-von-Siemens-Str. 16 98693 llmenau Technische Universitt llmenau (Thr.) 2005 Diese Publikationen und alle in ihr enthaltenen Beitrge und Abbildungen sind urheberrechtlich geschtzt. ISBN (Druckausgabe): 3-932633-98-9 (978-3-932633-98-0) ISBN (CD-Rom-Ausgabe): 3-932633-99-7 (978-3-932633-99-7) Startseite / Index: http://www.db-thueringen.de/servlets/DocumentServlet?id=15745

50. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium Technische Universitt Ilmenau

19.-23. September 2005

G. Brudek / J.P. Wulfsberg

Erfassung und Optimierung der Einstell- und Prozesskenngren in der Mikrozerspanung

ABSTRAKT Zur Zeit wird die Mikrozerspanung noch nicht ausreichend beherrscht, weil einerseits die Erkennt-

nisse der konventionellen Zerspannung ber Einstellgren nicht auf die Mikrozerspanung

herunterskalierbar sind und andererseits die Werkzeugherstellerangaben ber Einstellgren in der

Regel fehlerbehaftet sind. Im Folgenden wird die Vorgehensweise zur Erfassung der Prozess-

kenngren, die Analyse der Arbeitsergebnisse und die sich daraus ergebende Ermittlung der

optimalen Einstellgren fr die Mikrozerspanung am Laboratorium Fertigungstechnik der Helmut-

Schmidt-Universitt (LaFT) beschrieben.

EINLEITUNG

Die ultraprzise Mikrozerspanung, vorwiegend Frsen und Bohren von verschiedenen Mikrostruk-

turen, wird zur Zeit noch nicht ausreichend beherrscht. Dies liegt in erster Linie daran, dass die Er-

kenntnisse der konventionellen Zerspannung ber Einstellgren (Spindeldrehzahl, Vorschubge-

schwindigkeit, Arbeitseingriff etc.) nicht ohne Weiteres auf die Mikrozerspanung herunterskalierbar

sind bzw. diese nicht berechnet werden knnen. Um unerwnschte Greneffekte zu vermeiden,

mssen die relevanten Gren messtechnisch erfasst werden. Dafr ist einerseits die Analyse des

Arbeitsergebnisses und andererseits die Erfassung der Prozesskenngren notwenig (vgl. Tabelle 1).

Einstellgren Prozesskenngr-en

Arbeitsergebnis

Drehzahl Schnittgeschwindigkeit Krfte / Momente Oberflchengte

Schnittbreite Vorschubgeschwindigkeit Temperatur Randzonenbeeinflus-sung

Arbeitseingriff Leistung Ma- und Formfehler

Vorschub Energie

Werkzeug Verschlei

Khlschmierung

Tabelle 1: Einstellgren, Prozesskenngren und Arbeitsergebnis

In der Regel sind die Werkzeugherstellerangaben ber Einstellgren fr die Mikrozerspanung

leider ebenfalls aus der konventionellen Zerspannung herunterskaliert, also berechnet und nicht

experimentell ermittelt. Die unrealistischen Werte, z.B. Drehzahlen von 500.000 min-1, knnen die

heutigen Maschinen bzw. Spindeln entweder nicht leisten oder liefern schlechte Arbeitsergebnisse

bzw. fhren sofort zum Werkzeugbruch.

ERFASSNUNG DER PROZESSKENNGREN

Bei der Erfassung der Prozesskenngren whrend der Mikrozerspanung am LaFT liegen die

Schwerpunkte beim Messen von Krften bzw. Momenten, Temperaturen und Energien, da diese

einerseits fr die Optimierung der Einstellgren notwendig sind und andererseits sich daraus wei-

tere Gren, wie die Leistung ableiten lassen.

Am LaFT ist ein Prototyp einer piezoelektrischen Kraftmessvorrichtung fr die Mikrozerspanung

(vgl. Bild 1) entwickelt worden. Diese Kraftmessvorrichtung setzt sich im Wesentlichen aus einem

axial wirkenden Quarz-Kraftsensor und einer Befestigungsvorrichtung zusammen. Beides ist an die

Anforderungen der Mikrozerspanung, wie z.B. hohe Eigenfrequenzen, ausgelegt worden. Die dy-

namische Eignung dieser Kraftmessvorrichtung wurde mittels Modalanalyse nachgewiesen. Eine

ausfhrliche Beschreibung ist [1] und [2] zu entnehmen.

Bei der Temperaturmessung whrend der Mikrozerspanung wird in erster Linie auf hochmoderne,

berhrungslose Messwerkzeuge zurck gegriffen. Am LaFT wird hierzu ein Zweifarben-Pyrometer

[3], [4] eingesetzt, fr das eine geeignete Befestigung (lineare Fhrungssysteme in x-, y- und z-

Achse) konstruiert worden ist (vgl. Bild 2). Diese ermglicht eine Kalibrierung des Pyrometers in

Bild 1: Kraftmessvorrichtung des LaFT und ein beispielhafter Kraftverlauf

Kraftsensor

Kraft-messvor-richtung

Probe

der Mikrobearbeitungsmaschine und die sich daraus ergebende genauste Ausrichtung des Pyrome-

ters auf eine Messstelle, z.B. die aus dem Werkstoff austretende Spanflche eines Mikrofrsers. Der

kleinste einstellbare Messfleck betrgt 25m.

Die Betrachtung der Wrmestrme, also der Energie bzw. Energieverteilung, whrend der Mikro-

zerspanung wird nach dem kalorimetrischen Prinzip [5] durchgefhrt. Ein Kalorimeter besteht hier-

bei aus einem wrmeisolierten, mit Flssigkeit (niedrige spezifische Wrmekapazitt) aufgefllten

Gef, in dem das zu zerspanende Werkstck befestigt ist. Die Wrmeenergie, die durch den

Zerspanprozess dem Werkstck, dem Werkzeug und dem Span zugefhrt bzw. an die Umgebung

abgegeben wird, wird an die umgebende Flssigkeit abgegeben und die daraus resultierende Tempe-

raturerhhung der Flssigkeit gemessen und so die Wrmeenergie indirekt bestimmt.

Thermoelement Kalorimeter Thermometer

Bild 3: Kalorimetrische Energiebetrachtung am LaFT

Bild 2: Temperaturmessvorrichtung des LaFT

Fhrungs-systeme

Spindel

Werkzeug

Objektiv

Pyrometer

OPTIMIERUNG DER EINSTELLKENNGREN Durch die gewonnenen Erkenntnisse ber Prozesskenngren (Krfte, Temperaturen, Energie-

verteilung etc.) und der Analyse der erzeugten Arbeitsergebnisse, vor allem der Oberflchengte

mittels Perthometer [6], werden am LaFT die fr die Mikrozerspanung optimalen Einstellgren

bestimmt. Dies wird fr die Zerspanung verschiedener Werkstoffe, wie z.B. des rostfreien Stahls

1.4301 (X5CrNi18 10), durchgefhrt. Bild 4 zeigt beispielhaft einerseits den Einflu des Arbeits-

eingriffs ae auf die Oberflchenrauheit (-gte) Ra und andererseits den Einflu der Vorschub-

geschwindigkeit vf auf die Schnittkraft in Zustellrichtung Fx.

Im ersten Beispiel zeigt Bild 4a, dass beim Frsen von Ck45 mit einen zweischneidigen Frser

(d=0,5mm) bei Arbeitseingriff ae0,01mm die Oberflchenrauheit (-gte) Ra0,1m erreicht wird

und sich diese ab dem Arbeitseingriff ae0,01mm verschlechtert. Im zweiten Beispiel verdeutlicht

Bild 4: Ermittlung optimaler Einstellgren fr die Mikrozerspanung

Arbeitseingriff

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,003 0,005 0,008 0,01 0,02 0,03

ae [mm]

Ra

[m

] Vc=226, Vf=90

Vc=226, Vf=100

Vc=346, Vf=100

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

0 10 20 30 40 50 60

vf [mm/min]

Fx

[N]

Kraft in Zustellrichtung

4a

4b

Bild 4b beim Frsen von 1.4301 (X5CrNi18 10) mit einen zweischneidigen Frser (d=0,5mm) die

steigende Schnittkraft in Zustellrichtung bei steigender Vorschubgeschwindigkeit.

ZUSAMMENFASSUNG

Da die Einstellgren fr die Mikrozerspanung nicht aus der konventionellen Zerspannung

herunterskalierbar bzw. berechenbar sind und die Werkzeugherstellerangaben ber Einstellgren

teilweise unrealistisch sind, mssen die Einstellgren experimentell bestimmt werden. Dafr sind

am LaFT geeignete Prozesskenngren-Messvorrichtungen konstruiert und entwickelt worden.

Mittels dieser und der Analyse der erzeugten Arbeitsergebnisse werden am LaFT die fr die

Mikrozerspanung optimalen Einstellgren bestimmt.

Literatur- bzw. Quellenhinweise: [1] Wulfsberg, J. P.; Brudek, G.: Problemstellungen und ein Lsungsansatz zur Kraftmessung in der Mikrozerspanung. wt Werkstadttechnik online, Jahrgang 94 (2004), H.11/12, S.625-630 [2] Wulfsberg, J. P.; Brudek, G.: Detection of Cutting Forces in Micro Machining Operations. Proceedings of the 5th international conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (euspen), Volume 2, Montpellier 2005, S. 533-536 [3] Eder, K.: Berhrungslose Temperaturmessung an Flssigkeiten in geschlossenen Behltern. Dissertation, Technische Universitt Mnchen, 2004 [4] Glckert, U.: Erfassung und Messung von Wrmeenergie: eine praktische Einfhrung in die Pyrometrie und Thermographie [5] Zielenkiewicz, W.; Margas, E.: Theory of calorimetry. Kluwer Verlag, Dortrecht 2002 [6] Scherr, R.: Untersuchung zur Beurteilung und Messung technischer Oberflchen mit Hilfe des Tastschnittverfahrens. Hochschulschrift, Kaiserslautern 1986

Autorenangabe(n): Dipl.-Ing. Gregor Brudek Univ.-Prof. Dr.-Ing. Jens P. Wulfsberg Helmut-Schmidt-Universitt / Universitt der Bundeswehr Hamburg, Laboratorium Fertigungstechnik Holstenhofweg 85 22043 Hamburg Tel.: 040/6541-3073 bzw. -2720 Fax: 040/6541-2839 E-mail: gregor.brudek@hsu-hh.de bzw. jens.wulfsberg@hsu-hh.de

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