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Synchrone Gewindeherstellung

Warum synchrone Gewindeherstellung mit starren Spannzangen-Aufnahmen nicht zu optimalen Werkzeugstandzeiten führt.

Bei der Herstellung eines Gewindes auf einer CNC-Maschine mit Gewindebohrern oder -formern (nachfolgend zur Vereinfachung mit Gewindewerkzeug bezeichnet) muss die Geschwindigkeit der Drehbewegung der Maschinenspindel mit der Geschwindigkeit der Vorschubachse erfasst, verrechnet und synchronisiert werden.
Bei der Verrechnung der Gewindesteigung und der Schnittgeschwindigkeit, aus der sich die Vorschubgeschwindigkeit ableitet, entstehen Fehler durch Parameter, die bei der Regelung nicht berücksichtigt werden können.

Zu erwähnen sind hier die zwei Haupteinflussgrößen:

  1. Einflussgrößen durch das CNC-Bearbeitungszentrum
    Rechnergeschwindigkeit, Auflösung der Achsensensorik (lineare Achse, Drehachse, C-Achse), mechanischer Zustand der Maschine.
  2. Einflussgrößen durch das Gewindewerkzeug
    a) Toleranzen der Gewindesteigung nach DIN EN 22857
    b) Temperaturgang der Gewindesteigung, Längenausdehnung des Gewindewerkzeugs bei tArbeit ≠ tMessen

 
1. Einflussgrößen durch das CNC-Bearbeitungszentrum

Das Schneiden und Formen von Gewinden mit Synchronspindeln erfordert wegen des Formschlusses zwischen Werkzeug und Werkstück ein ständiges µ-genaues Überwachen und Regeln der Vorschubachsenbewegung in Relation zur Drehbewegung der Werkzeugspindel.
Damit unterscheidet sich die Gewindeherstellung von sonst bekannten Bearbeitungen wie z.B. Bohren, Reiben oder Fräsen. Bei diesen Bearbeitungen wird von der Steuerung lediglich eine exakte Linearbewegung zur Positionierung gefordert, da diese Werkzeuge nicht formschlüssig mit dem Werkstück verbunden sind. Dies hat zur Folge, dass das Hauptaugenmerk der Maschinenhersteller auf der Kontrolle der Linearachsen liegt. In der Praxis werden heute zur Regelung der Rotationsachse lediglich Rotgeber mit 256 Impulsen pro Spindelumdrehung (360°) eingesetzt. Dies entspricht einem Winkel und somit Überwachungsloch von 1,4° pro Impuls.
→ Es entstehen Axialkräfte bei der Gewindebearbeitung durch Regelungsfehler oder Regelungsungenauigkeiten.

Beispiel:
Gewindewerkzeug: M10
Gewindesteigung: 1,5 mm
Mögliche unkontrollierte Spindeldrehung 1,4°
→ möglicher axialer Positionsfehler von ca. 5,8 µm zwischen Gewindewerkzeug-Sollposition und Maschinenspindel-Istposition

Diagramm Maschinenspindeldrehpositionsfehler /axiale Steigungsfehler (gewindesteigungsabhängig)
Auswirkung des Fehlers der Maschinendrehbewegung auf das Gewindewerkzeug

Hinzu kommt, dass die Rechnergeschwindigkeit moderner CNC-Bearbeitungs­maschinen nicht ausreicht, um eine höhere Anzahl von Impulsen des Rotgebers im Bereich von n = 0 bis zur max. Spindeldrehzahl zu verarbeiten und die zu synchronisierenden Achsen einzuregeln.
Am Beispiel eines CNC-Bearbeitungszentrums mit 256 Impulsen pro Spindelumdrehung kann man aufzeigen, dass die Axialkraft, die auf die Gewindewerkzeugflanken wirkt, mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit ansteigt. Die folgenden Diagramme zeigen, dass die Axialkraft für das Formen eines Gewindes M10 bei 500 min-1 (ca. 15,7 m/min) bei ca. 1900 N liegt und mit einer Steigerung der Drehzahl auf 2000 min-1 (62,8 m/min) bei über 2500 N. Dadurch ist deutlich zu erkennen, dass die entstehende Axialkraft, verursacht durch Synchronisierungsfehler, drehzahlabhängig ist.

Drehzahl 500 min-1 Gewindeformer M10 in C45
 

Drehzahl 2000 min-1 Gewindeformer M10 in C45

2. Einflussgrößen durch das Gewindewerkzeug
a) Toleranzen der Gewindesteigung

Für Gewindewerkzeuge sind in der europäischen Norm DIN EN 22857 die Abmessungen und Toleranzen für geschliffene Gewinde festgelegt.

Aus der Norm ist zu entnehmen, dass für die Gewindewerkzeug­toleranz eine kleinste Abweichung von ± 8 µm, bezogen auf eine definierte Anzahl von Gewindegängen, zugelassen ist.

Beispiel:
Gewindewerkzeug: M10
Gewindesteigung: 1,5 mm
Prüflänge: 7 Gänge
→ zulässige Steigungtoleranz ± 8 µm

Kraft/Weg-Diagramm
Benötigte Kraft für die Längenänderung eines Gewindewerkzeugs mit Schaftdurchmesser 10 mm

 b) Temperaturgang der Gewindesteigung, Längenausdehnung des Gewindewerkzeugs bei tArbeit ≠ tMessen
Jede von der Messtemperatur 20°C abweichende Werkzeugtemperatur führt zu einer Längenänderung. Bezogen auf ein Gewindewerkzeug M10 mit 100 mm Länge ergibt sich bei einer Temperaturänderung von 20 °C auf z.B. 40 °C eine Längenänderung von 32 µm.
Bezogen auf die Prüflänge von 7 Gang gemäß DIN EN 22857 ergibt sich folgendes Beispiel:

Gewindewerkzeug: M10
Gewindesteigung: 1,5 mm
Gewindewerkzeuglänge: 100 mm
Prüflänge: 7 Gänge = 10,5 mm
→ axiales Wachsen des Werkzeugs und somit der Gewindesteigung von 3,4 µm

Temperaturgang eines Gewindewerkzeugs M10
Länge 100 mm, Temperaturveränderung 20 °C, Längenänderung 32 µm

Bezogen auf eine Prüflänge von 7 Gang gemäß DIN EN 22857 ergibt sich bei einer Gewindesteigung von 1,5 mm eine axiale Längenänderung von 3,4 µm.
Der Nachweis einer Temperaturänderung des Gewindewerkzeugs kann durch die Messung der Temperatur an der während der Gewindeher­stellung meist belasteten Spanfläche erfolgen. Im folgenden Diagramm ist die Temperatur der Spanfläche für ein Gewindewerkzeug M10 bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten aufgetragen. Als Werkstoff wurde C45, als Kühlschmierstoff 5%ige Emulsion verwendet.

Temperaturverlauf an der Gewindewerkzeugschneide (M10), Emulsion als Kühlschmierstoff

Zusammenfassung:
Um die gesamte Auswirkung der einzelnen Einflussfaktoren, die hier angesprochen wurden, auf die Axialkraftkomponente des Gewindeherstellungsprozesses zu erkennen, müssen die aufgeführten möglichen Positionsfehler, Längenänderungen bzw. Kräfte, die zu Längenänderungen führen, zusammengefasst werden.

Das folgende Diagramm zeigt auf:

  • bei einer Addition der möglichen Axialfehler durch maschinen-, steigungs­toleranz- und temperaturbedingte Einflussgrößen kann im ungünstigsten Fall ein Positionsfehler zwischen Soll-Position des Gewindewerkzeugs und Ist-Position der Maschinenspindel von über 17 µm entstehen,
  • dieser Positionsfehler führt zu einer Axialkraft von ca. 2800 N in dem hier gezeigten Beispiel mit einem Gewindewerkzeug M10,
  • diese Kraft wird von den Gewindeflanken des Gewindewerkzeugs aufgenommen, was erhöhte Flankenreibung und dadurch erhöhten Werkzeugverschleiß zur Folge hat.

Kraft/Weg-Diagramm
Benötigte Kraft für die Längenänderung eines Gewindewerkzeugs mit Schaftdurchmesser 10 mm

  1. möglicher temperaturbedingter Steigungsfehler
  2. möglicher maschinenbedingter Steigungsfehler
  3. möglicher norm-, bzw. gewindewerkzeugbedingter Steigungsfehler
  4. mögliche Axialkraft auf die Werkzeugflanken

Diese zugegebenermaßen theoretischen Betrachtungen der Vorgänge bei der Herstellung eines Gewindes lassen sich jedoch praktisch belegen.

Als Beispiel wird ein Gewinde M10 mit drei unterschiedlichen Werkzeughaltern in den Werkstoff C45 geformt. Die Axialkräfte wurden dabei bei zwei Drehzahlen, 500 min-1 = 15,7 m/min und 2000 min-1 = 62,8 m/min, aufgezeichnet. Folgende Spannzangen-Aufnahmen wurden getestet:

a) starre Synchron-Spannzangen-Aufnahme,
b) EMUGE Spannzangen-Aufnahme Softsynchro® der Größe 1 mit Minimallängenausgleich auf Druck und Zug,
c) Synchron-Spannzangen-Aufnahme eines Wettbewerbers mit Minimallängenausgleich mit axialer Dämpfung

Bei allen getesteten Spannzangen-Aufnahmen wurde eine Spannzange Typ ER20-GB, also mit integriertem Vierkant, verwendet.

Drehzahl 500 min-1 Gewindeformer M10 in C45


Drehzahl 2000 min-1
Gewindeformer M10 in C45

Folgende Erkenntnisse können aus den Versuchen gewonnen werden:

  • die Axialkräfte nehmen mit steigender Drehzahl zu
  • die auftretenden Kräfte beim Gewindeformen mit einer starren Spannzangenaufnahme sind erheblich höher als beim Gewindeformen mit der EMUGE Spannzangen-Aufnahme Typ Softsynchro®
  • die Wettbewerbs-Spannzangen- Aufnahme dämpft im Vergleich zur starren Spannzangen-Aufnahme die Kräfte nur leicht

Was ist die Ursache für das hervorragende Axialkraftverhalten der EMUGE Spannzangen-Aufnahmen Softsynchro® mit Minimallängenausgleich?
Wichtiges Merkmal ist die patentierte konstruktive Trennung der Übertragung von Drehmoment und Axialkraft.

Weitere konstruktive Merkmale der EMUGE Spannzangen-Aufnahmen Softsynchro® sind:

  • C-Achsen-Spielfreiheit des Gewindeschneidfutters durch formschlüssige Drehmomentübertragung über Stahlkugeln
  • weiches Ansprechen des vorgespannten Minimallängenausgleichs nach Überschreitung der konstruktiv vorgegebenen Führungskraft durch nahezu verlustfreie Rollreibung der Drehmomentübertragungskugeln in ihren Kugellaufbahnen
  • minimaler Längenausgleich und Axialkraftübertragung über vorgespannte Elastomerfedern
  • Elastomerfedern, die durch ihre Dämpfungseigenschaften ein Aufschwingen der Werkzeugschneide verhindern


Wird die Trennung der Übertragung von Axialkraft und Drehmoment nicht berücksichtigt, dann wird – wie bei dem Beispiel des Wettbewerbfutters zu sehen – schon zu Beginn der Gewindebearbeitung ein Axialfehler erzeugt. Die Folge ist – wie in den Diagrammen auf der vorhergehenden Seite zu erkennen – ein sofortiges starkes Ansteigen der Axialkraft. Dies wird durch eine praxisbezogene Konstruktion der Spannzangen-Aufnahmen wie beim Softsynchro® verhindert.

Für Werkzeugmaschinen, die die Eigenschaft einer synchronen Gewindebearbeitung nicht zur Verfügung stellen, ist es notwendig, einen größeren Längenausgleich als beim Minimallängenausgleich der Softsynchro® Futter zu verwenden.

Dafür stellt EMUGE Längenausgleichsfutter KSN/HD mit Zangen­aufnahme und innerer Kühlschmierstoff-Zufuhr zur Verfügung. Hierbei werden die Vorteile der Spannung des Gewindewerkzeugs über Spannzangen mit denen eines klassischen Längenausgleichsfutters kombiniert.

 

 
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