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Ausgewählte Ausgabe: 12-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Reibgedämpfter Werkzeughalter

Bei der spanenden Bearbeitung komplexer Geometrien und tiefer Kavitäten ist häufig der Einsatz von Werkzeugen mit langauskragenden Werkzeughaltern erforderlich. Aufgrund der hohen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisse ist die statische und dynamische Nachgiebigkeit dieser Werkzeughalter jedoch hoch. Dabei ist vor allem die dynamische Nachgiebigkeit ein Nachteil, da diese die Prozessstabilität und damit die Produktivität herabsetzt. Ein vielversprechender Ansatz zur Verringerung der dynamischen Nachgiebigkeit ist die Erhöhung der Dämpfung der Werkzeugaufnahme. Hierfür können Reibleistendämpfer genutzt werden, die im Werkzeughalter integriert sind.


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Um die dynamische Nachgiebigkeit langauskragender Werkzeughalter zu erhöhen, wurden bereits Ansätze zur Umsetzung gedämpfter Werkzeughalter vorgestellt.

Die Entwicklung und Erprobung reibgedämpfter Werkzeughalter sind Gegenstand des vom Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) in Hannover durchgeführten AiF-Forschungsprojekts „Erforschung gedämpfter Werkzeugaufnahmen für langauskragende, rotierende Werkzeuge“ (GDW). Ziel des Projekts ist die Erhöhung der Prozessstabilität und damit der Produktivität im Vergleich zu bestehenden Werkzeughaltern.

Grenzen aktuell verfügbarer gedämpfter Werkzeughalter

Um die hohe dynamische Nachgiebigkeit konventioneller langauskragender Werkzeughalter zu erhöhen, wurden in der Vergangenheit bereits Ansätze zur Umsetzung gedämpfter Werkzeughalter vorgestellt. Hierbei handelt es sich vorrangig um Varianten mit integrierten Hilfsmassendämpfern (HMD) [1] beziehungsweise viskosen Dämpfern [2;3], die gegenüber ungedämpften Werkzeughaltern eine um bis zu 90 % geringere dynamische Nachgiebigkeit bieten. Werkzeughalter mit HMD wurden von Sandvik [4] bereits für industrielle Anwendungen kommerziell umgesetzt.
Der Einsatz von HMD beziehungsweise viskosen Dämpfern hat jedoch zwei entscheidende Nachteile. Ein HMD muss genau auf das dynamische Verhalten der Struktur abgestimmt werden. Dabei kann die Schwingungsdämpfung lediglich für eine Eigenfrequenz des Werkzeughalters erhöht werden. Bei einer Systemverstimmung, beispielsweise durch einen Werkzeugwechsel, kommt es zur Abnahme des Dämpfungsvermögens. Bei Konzepten mit viskosen Dämpfern wird die statische Nachgiebigkeit der Werkzeugeinspannung für lange Fräser erhöht, um höhere Verformungen der integrierten viskosen Dämpfer zu realisieren. Eine erhöhte statische Nachgiebigkeit des Werkzeughalters führt jedoch zu einer größeren Werkzeugabdrängung und somit zu erhöhten Maß- und Formfehlern am Werkstück.
 [5] beschrieben. Dabei werden Reibleisten auf eine Grundstruktur aufgebracht und vorgespannt. Tritt eine Verformung der Grundstruktur auf, kommt es zu einer Relativbewegung zwischen den Reibleisten und der Grundstruktur. In Kombination mit der Vorspannung wird durch die Relativverschiebung eine Reibarbeit realisiert, die wiederum eine Schwingungsdämpfung der Grundstruktur bewirkt.
Durch den Einsatz von Reibleisten kann eine Dämpfung von D > 0,1 realisiert werden. Die Nachgiebigkeit der Struktur muss dabei nicht zusätzlich erhöht werden und die Dämpfung ist nicht nur auf eine Schwingungsmode begrenzt. Die Anwendung bei Werkzeughaltern für die Zerspanung ist neu. Daher wird nachfolgend das Potential reibgedämpfter Werkzeughalter am Beispiel eines Versuchsträgers untersucht.

Aufbau des Versuchsträgers

Bild 1.  Aufbau des ersten Versuchsträgers eines reibgedämpften Werkzeughalters (am Beispiel mit zwei Segmenten in radialer und sechs Segmenten in Umfangsrichtung).

Bild 1.
Aufbau des ersten Versuchsträgers eines reibgedämpften Werkzeughalters (am Beispiel mit zwei Segmenten in radialer und sechs Segmenten in Umfangsrichtung).

Um die grundsätzlichen Wirkzusammenhänge zu ermitteln, wurden im ersten Schritt die Untersuchungen an einem Versuchsträger mit geringer Komplexität durchgeführt. In Bild 1 ist der Aufbau dargestellt. Er besteht aus einem metallischen Hohlschaft (Grundstruktur) mit integrierten Hülsensegmenten. Diese sind im Bereich der Werkzeughalteraufnahme von innen geklemmt. Über einen mit Druck beaufschlagten Schlauch werden die Hülsensegmente gleichmäßig radial gegen die Innenwand des Hohlschafts gedrückt. Dadurch wird eine Vorspannung zwischen Hülsensegmente und Hohlschaft realisiert. Der Einsatz eines Druckschlauches erlaubt dabei eine einfache Vorspannung der Segmente.

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Autoren

Prof. Dr.-Ing.  Berend Denkena

Jahrgang 1959, studierte und promovierte an der Leibniz Universität Hannover. Seit 2001 leitet er das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Zudem ist er Sprecher des Sonderforschungsbereichs 653 „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“.

Dipl.-Ing. Benjamin Bergmann

Jahrgang  1985,  studierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover. Seit 2011 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen; seit  2017  leitet  er  dort  den  Bereich  Maschinen  und Steuerungen.

M. Sc. Christian Teige

Jahrgang 1988, studierte Maschinenbau an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und ist seit 2015 wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Maschinen und Steuerungen am IFW.

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