Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Analyse der Prozesskräfte, im Speziellen der Normal- und Tangentialkräfte, welche beim Honen mit fest montiertem Werkzeug auf der Kombinationsmaschine untersucht werden sollen. Im Rahmen dessen sollen beim kraftgebundenen Honen die Kräfte während der Bearbeitung mit speziell für diese Aufgabe entwickelten Werkzeugen aufgenommen werden. Weiterhin soll untersucht werden, ob eine Korrelation zwischen den auftretenden Kräften im Honprozess und der Zustellkraft, die über die Leistungsaufnahme des Linearantriebes ermittelt wird, besteht.
Hierfür werden in einem ersten Schritt Referenzkraftmessungen durchgeführt, wodurch ein Zusammenhang zwischen der Stromaufnahme des Linearantriebs und der real auftretenden Kraft hergestellt werden soll. Dadurch kann aufgrund des linearen Zusammenhangs von Strom und Kraft ein Faktor ermittelt werden, welcher auf die vorherrschende Prozesskraft schließen lässt.
Um Kraftmessungen an den Honleisten durchführen zu können, müssen die eingesetzten Messsysteme zunächst kalibriert und ein Übertragungsfaktor bzw. eine -funktion für die vier Piezo-Kraftmesssensoren ermittelt werden. Darüber hinaus erlaubt diese Vorgehensweise eine erste Abschätzung der Messfähigkeit des Systems in Form einer ermittelten Fehlertoleranz in Bezug auf die gemessenen Kräfte.
Bevor mit den Messwerkzeugen Versuche durchgeführt werden, erfolgt eine Analyse durch einen Vergleich von theoretischem Kraft- und Wegverlauf mit praktischen Versuchen, die mittels des ServoTrace aufgenommen werden. Hierbei soll ein Grundverständnis für die Arbeitsweise der Kombinationsmaschine geschaffen werden, wobei mehrere Größen und deren Zusammenhang, wie z. B. der zeitliche Verlauf der Achsenpositionen oder Regelgrößen, untersucht werden sollen. Mit diesen Erkenntnissen werden in einem nächsten Schritt Versuche mit den Messwerkzeugen durchgeführt, in welchen Prozessparameter gezielt variiert werden. Das Ergebnis ist ein detailliertes Prozessverständnis, welches sowohl eine Bewertung der eingesetzten Kraftmesswerkzeuge sowie eine genaue Analyse der durchgeführten Honprozesse bildet.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Honen
2.1.1 Grundlagen
2.1.2 Kraft-/weggebundene Zustellung
2.1.3 Verfahrensvarianten des Honens
2.2 Schleifen
2.3 Drehen
2.4 Überblick bisher realisierter Konzepte zur Messung der Prozesskräfte
beim Honen
2.5 Linearantriebe
3 Zielsetzung
4 Versuchsplanung und -durchführung
4.1 Versuchsmaschine
4.2 Versuchswerkstück
4.3 Versuchswerkzeuge
4.3.1 Drehwerkzeug
4.3.2 Schleifwerkzeug
4.3.3 Honwerkzeug
5 Experimentelle Kraftmessung
5.1 Analyse der auftretenden Kräfte am Honprozess
5.1.1 Referenzkraftermittlung an der Kombinationsmaschine
5.1.2 Kraftgebundene Zustellung beim Langhubhonen
5.2 Prinzipielle Ermittlung der Bearbeitungskraft
5.2.1 Messaufbau
5.2.2 Vorspannung der Messwerkzeuge
5.2.3 Kalibrierung der Messwerkzeuge
5.3 Praktische Analyse der auftretenden Kräfte am Honprozess
5.3.1 Einführung und Analyse des Referenzversuchs
5.3.2 Analyse der Prozesskräfte in Bezug auf die Werkstücklage in
z-Richtung
5.3.3 Variation der Umfangsgeschwindigkeit vu
5.3.4 Variation der Axialgeschwindigkeit va
5.3.5 Variation der Zustellkraft Fn
5.3.6 Zusammenfassung der Erkenntnisse
6 Zusammenfassung
7 Ausblick
8 Literaturverzeichnis
9 Anhang
9.1 Honen
9.1.1 Kräfte bei kraftgebundenen Zustellsystemen
9.2 Schleifen
9.2.1 Herleitung der Gesamthauptschnittkraft
9.3 Drehen
9.3.1 Spanungs- und Schnittgrößen
9.4 Kalibrierung des 2-Leisten-Messwerkzeugs -
9.4.1 Einführung der Übertragungsfunktion ÜF
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die detaillierte Analyse der Prozesskräfte beim kraftgebundenen Langhubhonen auf einer Kombinationsmaschine. Dabei soll insbesondere untersucht werden, wie sich Prozessparameter wie die Axial- und Umfangsgeschwindigkeit sowie die Zustellkraft auf die tangentialen und axialen Schnittkraftkomponenten auswirken und ob eine Korrelation zwischen der Leistungsaufnahme des Linearantriebs und den tatsächlich auftretenden Prozesskräften besteht.
- Analyse von Prozesskräften (Normal- und Tangentialkräfte) beim Langhubhonen
- Entwicklung und Kalibrierung spezieller Messwerkzeuge zur Kraftaufnahme
- Untersuchung des Zusammenhangs zwischen Motorstrom und Prozesskraft
- Einfluss von Prozessparametern (va, vu, Fn) auf die Prozessstabilität
- Optimierung der Kraftmessung durch Übertragungsfunktionen
Auszug aus dem Buch
2.1.2 Kraft-/weggebundene Zustellung
Da sich im fortschreitenden Prozess die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks verändert, muss eine Zustellung des Werkstücks an das Werkzeug erfolgen. Diese kann wie folgt realisiert werden: kraftgebunden (kraftschlüssig) durch einen hydraulischen Antrieb, weggebunden (formschlüssig) durch einen Elektro- oder Handbetrieb sowie kombiniert hydraulisch-mechanisch [Pau08].
Die kraftgebundene Zustellung erfolgt beim konventionellen Honen durch den Druck eines Kolbens mit der Kolbenfläche Ak. Dieser wird unter der hydraulischen Druckeinwirkung p0 bewegt, woraus die Zustellkraft FZ resultiert, die über einen Zustellstift und Konen auf die Honleisten übertragen wird, bis die Honleisten mit ihrer Gesamtfläche AHL gegen das Werkstück drücken und ein Kräftegleichgewicht entsteht. Die Gesamtfläche der Honleisten wird mittels der Kontaktfläche der jeweiligen Honleiste, sowie der Anzahl der verwendeten Honleisten berechnet. An den Honleisten wirkt die Normalkraft Fn, die näherungsweise aus dem Hydraulikdruck berechenbar ist, aber u. a. durch Reibungskräfte im Werkzeug und am Zustellkonus stark schwanken kann [Pau08, Ueb94]. Abbildung 2-4 veranschaulicht das Prinzip der kraftgebundenen Zustellung.
Bei wegabhängiger Zustellung werden definierte Vorschubwege, z. B. durch einen Schrittmotor, erzeugt. Die weggebundene, mechanische Zustellung verfügt über eine starre Konusaufweitung. Der Vorteil dieser Variante ist in der exakten Zustellung der Honleisten begründet, da das vorgegebene Maß nahezu unabhängig von der Flächenlast zwischen Werkstück und Honleiste erreicht wird. Die realen Vorschubwege und die Normalkraft sind unter anderem von der werkzeug- und werkstückseitigen Steifigkeit abhängig. Es können bei konstanten Maschineneinstellgrößen unterschiedliche zeitliche Normalkraftverluste resultieren [Pau08, Ueb94]. Abbildung 2-5 zeigt das Arbeitsprinzip der kraft- und weggebundenen Zustellung. Die Berechnung der Normalkraft Fn erfolgt bei der kraftgebundenen Zustellung nach Formel 2-1 und bei der weggebundenen Zustellung nach Formel 2-2.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung stellt die wachsende Bedeutung flexibler Kombinationsbearbeitung vor und begründet die Notwendigkeit der Analyse von Prozesskräften beim Langhubhonen.
2 Stand der Technik: Es werden die Grundlagen der Fertigungsverfahren Honen, Schleifen und Drehen erläutert, inklusive physikalischer Kinematik und existierender Kraftmesskonzepte.
3 Zielsetzung: Dieses Kapitel definiert die wissenschaftliche Zielstellung der Arbeit, die sich auf die Analyse der Prozesskräfte und die Korrelation mit der Leistungsaufnahme des Antriebs konzentriert.
4 Versuchsplanung und -durchführung: Die verwendete Kombinationsmaschine, die Werkstücke und die spezifisch für das Forschungsprojekt entwickelten 2- und 3-Leisten-Messwerkzeuge werden detailliert spezifiziert.
5 Experimentelle Kraftmessung: Der umfangreiche Hauptteil beschreibt die Referenzkraftermittlung, die Kalibrierung der Messwerkzeuge und die praktische Analyse unter Variation verschiedener Prozessparameter.
6 Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer Bilanz der erzielten Ergebnisse zur Kraftmessung und den gewonnenen Erkenntnissen zur Prozessstabilität beim Langhubhonen.
7 Ausblick: Es werden Potenziale für weiterführende Analysen aufgezeigt, etwa zur Kopplung des Abrichtvorgangs mit der Leistungsaufnahme oder zur detaillierten Untersuchung der relativen Achslage.
Schlüsselwörter
Langhubhonen, Kombinationsbearbeitung, Prozesskräfte, Kraftgebundene Zustellung, Messwerkzeug, Piezoelektrischer Effekt, Schnittgeschwindigkeit, Axialgeschwindigkeit, Zustellkraft, Werkzeugverschleiß, Linearantrieb, Prozessstabilität, Übertragungsfaktor, Oberflächengüte, Fertighonen.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit analysiert die auftretenden Kräfte beim kraftgeregelten Langhubhonen auf einer Kombinationsmaschine, insbesondere um das Verständnis für Prozesskräfte und deren Abhängigkeit von verschiedenen Parametern zu vertiefen.
Welche Fertigungsverfahren werden kombiniert?
Die Kombinationsmaschine vereint die spanenden Verfahren Hartdrehen, Schleifen und Honen in einer einzigen Aufspannung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, eine Korrelation zwischen der Stromaufnahme des Linearantriebs und der realen Normalkraft herzustellen, um eine zuverlässige Kraftüberwachung während des Prozesses zu ermöglichen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden experimentelle Kraftmessungen mit neu entwickelten piezoelektrischen Messwerkzeugen durchgeführt, die durch eine Kalibrierung gegenüber einer externen Kraftmessdose validiert wurden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der Kalibrierung der Messsysteme, der theoretischen Herleitung von Zusammenhängen sowie der praktischen Variation von Parametern wie Umfangs- und Axialgeschwindigkeit.
Welche Keywords charakterisieren die Arbeit am besten?
Langhubhonen, Prozesskräfte, Kombinationsbearbeitung, Piezo-Kraftmessung und Prozessstabilität sind die zentralen Begriffe der Forschungsarbeit.
Warum wurde das 3-Leisten-Messwerkzeug überarbeitet?
Das ursprüngliche 3-Leisten-Messwerkzeug wies einen zu hohen Messfehler auf, da die nötige Vorspannkraft der Sensoren nicht optimal aufgebracht werden konnte.
Welche Rolle spielt die Lage des Werkstücks in z-Richtung?
Die z-Lage beeinflusst den Überlauf der Honleisten und damit die Flächenlast, was zu schwankenden Prozesskräften und einer notwendigen nachregulierenden Maschinenbewegung führt.
- Quote paper
- Alexander Hubert (Author), 2010, Analyse der Kräfte bei der Kombinationsbearbeitung mit Schwerpunkt auf die kraftgebundene Zustellung beim Langhubhonen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/191438
