Einheitliche Werkzeugschnittstelle für Revolverdrehmaschinen

PTI – abschließende Untersuchung der einheitlichen Antriebskupplung

 

Der Normungsantrag für die PTI Revolverschnittstelle ist im Juni vom zuständigen Normungsgremium diskutiert worden. Die Vorschläge für die ersten beiden Teile der Norm, Werkzeug- und Revolverseite, wurden akzeptiert, die Antriebskupplung für angetriebene Werkzeuge wird am WZL abschließend untersucht, um auch sie als dritten Teil der Normung zuführen zu können.


Christian Brecher, Christian Bergs, Marcel Fey

 

PTI - von der Idee zur Norm
Die Entwicklung der PTI Schnittstelle als neue einheitliche Werkzeugschnittstelle für Revolverdrehmaschinen, die die große Vielfalt bei den Revolverschnittstellen reduzieren soll, hat im Jahr 2012 begonnen und in diesem Jahr mit der Annahme des Normungsantrags durch das zuständige Normungsgremium eine weitere Hürde genommen. Im Projekt REVOSIT wurde mit der Entwicklung der mechanischen Schnittstelle begonnen, die mit der Einreichung des Normenvorschlags für die Werkzeug- und Revolverseite in den drei Baugrößen PTI 42, 54 und 65 ihren Abschluss gefunden hat.
Um mit dem PTI eine vollständige einheitliche Werkzeugschnittstelle bereitzustellen, muss die Entwicklung der einheitlichen Antriebkupplung für angetriebene Werkzeuge (AGW) abgeschlossen werden. Dieser Aufgabe stellen sich die Partner Ott-Jakob, Sauter, WTO und Weisser gemeinsam mit dem WZL im Projekt REKUNORM, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird.
Die Entwicklung der PTI-Kupplung ist weitgehend abgeschlossen. Sie wird derzeit auf einem Prüfstand am WZL auf ihre Langzeitfestigkeit und ihr Verschleißverhalten unter dynamischer Torsion untersucht. Im Anschluss an die derzeit laufenden Untersuchungen wird die PTI- Kupplung in einer Weisser Drehmaschine am WZL in der Fräsbearbeitung auf ihre Leis-tungsfähigkeit untersucht.
Die PTI-Kupplung
Eine zentrale Anforderung an die Kupplung für PTI-Werkzeuge war die Verwendbarkeit sowohl in Maschinenrevolvern, die mit einem axialen Kupplungshub arbeiten, als auch schwenkenden Systemen. Gegenüber Revolvern mit axialem Kupplungshub (axiales Kuppeln), werden beim Einkuppeln durch Einschwenken (radiales Kuppeln), nicht zwei Kupplungshälften axial ineinandergeschoben, sondern durch das Einschwenken des Werkzeugs beide Kupplungshälften in Deckung gebracht, so dass eine zusätzliche Bewegung entfallen kann. Die in Bild 2 dargestellte PTI-Kupplung ermöglicht den Einsatz in beiden beschriebenen Verfahren. Dabei ist sie beim radialen Kuppeln gegenüber Standard Zweiflachkupplungen nach DIN 1809 [1] spielreduziert und kann durch den Keilwinkel der Anlageflächen von 1:10 beim axialen Kuppeln spielfrei arbeiten. Im Vergleich zu der spielfreien Vielzahnkupplung nach DIN 5480 [2] wird nach dem axialen Kupplungsvorgang beim PTI eine Axialkraft von 250 N (PTI 65) aufgebracht, die die Kupplungshälften gegeneinandergedrückt. Unter der Annahme eines Reibwerts größer 0,05 (vgl. Stahl/Stahl nach [3]) ist die Kupplung selbsthemmend ausgelegt. Sie ist ebenfalls für alle drei existierenden PTI Baugrößen entwickelt worden.
Die Freimachung zwischen den beiden Anlageflächen ist notwendig um beim radialen Kuppeln ohne Kollision an dem Gegenstück vorbei zu schwenken. Die Verrundungen sind im Normenvorschlag so definiert, dass sie eine möglichst freie Wahl der Fertigungsmittel erlauben.
Untersuchung auf dem Torsionsprüfstand für dynamische Belastungen
Für die Auslegung der PTI-Kupplung in der Baugröße 65 wurden 85 Nm Antriebsmoment zur Auslegung gewählt. Dies entspricht dem maximalen Drehmoment des größten Sauter Direct-Drive Antriebs, welcher derzeit verfügbar und in der Weisser Maschine am WZL verbaut ist. Um die Langzeitfestigkeit und das Verschleißverhalten der PTI-Kupplung gegenüber den marktüblichen Lösungen zu testen, werden diese auf einem Torsionsdauerbruchprüfstand untersucht. Hierzu wird ein statisches Torsionsmoment von 100 Nm aufgebracht und mit einem dynamischen Torsionsmoment im Verhältnis Mstatisch/Mdynamisch = 0,4 überlagert. Das statische Prüfmoment wird mit 100 Nm gewählt um auch bei zu erwartenden Steigerungen der Antriebsleistungen eine Aussage über die Langzeitfestigkeit zu treffen. 
Für die Untersuchungen zur Torsionsdauerfestigkeit für HSK Schnittstellen wurde mit Grenzschwingspielzahlen von 4x106 gearbeitet [4 - 6]. Dies entspricht einer Eingriffszeit von 13,9 h für das gewählte Bearbeitungsbeispiel mit einer Schneideneingriffsfrequenz von 80 Hz für einen sechschneidigen Messerkopf bei 800 min-1. Nach DIN 50100 wird für kubischraumzentrierte Werkstoffe eine beispielhafte Grenzschwingspielzahl NG von 5x106 angegeben [7]. Dies entspricht in dem gewählten Anwendungsbeispiel einer reinen Einsatzdauer von 17,4 h. Aus den Erfahrungen mit HSK und der Angabe der Norm wird für die Versuche eine Abschätzung zur sicheren Seite getroffen und die Grenzschwingspielzahl von 5x106 gewählt, deren Erreichen ohne Schaden als Kriterium für die Langzeitfes-tigkeit, früher Dauerfestigkeit genannt, gilt. 
Ein Bruch vor dem Erreichen der Grenzschwingspielzahl wird durch eine Überwachung der Kraftamplitude am elektrohydraulischen Relativerreger detektiert und führt zur Abschaltung des Prüfstands.
Bild 3 zeigt die Prüfmodule des Torsionsdauerbruchprüfstands. Im oberen Bildteil ist die Variante für die spielfreie PTI-Kupplung dargestellt, bei der über die Betätigungsmutter eine Feder vorgespannt wird, die die Kupplungshälften gegeneinanderpresst. Diese Kraft wird durch einen Kraftsensor überwacht und ausgewertet. Die maschinenseitige Kupplung wird in einer Verdrehsicherung geführt. Für die spielbehaftete Ausführungsform der PTI-Kupplung für radiales Kuppeln und den Zweiflach nach DIN 1809 sowie für die Vielzahnkupplung nach DIN 5480 ist keine Axialkraft notwendig, daher vereinfacht sich der Aufbau wie im unteren Teil von Bild 3 dargestellt. Hier wird die Maschinenseite als Flansch ausgeführt.
Die Prüfwelle mit der werkzeugseitigen Kupplungshälfte wird in einer Lagerung aufgenommen, so dass das über einen Hebelarm eingeleitete Moment querkraftfrei in die Kupplung übertragen wird.
Zerspanversuche in der Weisser Univertor AM-1 mit PTI
Um die Leistungsfähigkeit der PTI-Kupplung unter industrienahen Bedingungen zu untersuchen, werden Schwerzerspanungsversuche auf der ersten Drehmaschine mit PTI am WZL durchgeführt. Die Weisser Univertor AM-1 wurde hierzu mit einem PTI-Revolver von Sauter ausgestattet und nutzt den verbauten Direct-Drive Antrieb um gerade angetriebene Werkzeuge von WTO zu betreiben. Die Zerspanversuche werden mit einem Coromill 745 Planmesserkopf von Sandvik Coromant mit 80 mm Durchmesser durchgeführt. 
Ziel der Versuche ist ein Vergleich des Prozess- und Verschleißverhaltens der PTI-, Zweiflach- und Vielzahnkupplung. Für die Untersuchungen werden die Werkzeuge mit internen und externen Beschleunigungssensoren ausgestattet um die Beschleunigungen im Leerlauf sowie in der Zerspanung zu vergleichen. Als weiteres Vergleichskriterium werden die Oberflächengüte der Versuchswerkstücke und der visuell erfassbare Schneidenverschleiß herangezogen.
Da in den Versuchen die Kupplungen im Fokus stehen, werden vor den jeweiligen Versuchsreihen neue maschinen- und werkzeugseitige Kupplungen in den Revolver und die angetriebenen Werkzeuge eingebaut. 
Deren Verschleiß wird fotografisch dokumentiert und eventuelle Deformationen messtechnisch erfasst.
Das Titelbild Bild 1 zeigt den geplanten Zerspanversuch. Es werden Werkstücke aus S355J0 (St-52) mit einem Durchmesser von 150 mm in die Maschine eingespannt und überdreht, um den Schneidenverschleiß durch die Walzhaut beim Fräsen nicht zu beeinflussen. Im Anschluss wird die Stirnfläche wiederholt in einer Kreisbahn plangefräst. Vorversuche haben gezeigt, dass die volle Leistungsfähigkeit des verbauten Revolverantriebs von 28,5 kW bei den gewählten Parametern in einem stabilen Prozess ausgenutzt wird.
Ausblick
Nach Abschluss der Untersuchungen im Spätherbst 2019 wird eine Einordnung der PTI-Kupplung im Feld der etablierten Kupplungen für die gleiche Revolvergröße möglich sein. Die Ergebnisse für den Zweiflach, die Vielzahnkupplung und die PTI-Kupplung in den zwei Ausführungsformen spielfrei und spielreduziert werden Anwendern und Konstrukteuren Erkenntnisse über die Einsatzgrenzen der jeweiligen Kupplungen liefern und unterstützen so die Normung und die Etablierung des PTI.
Informationen hierzu erhalten Sie am WZL bei Herrn Christian Bergs (C.Bergs@wzl.rwth-aachen.de | 
Tel: +49 241 80-26293 | Steinbachstraße 19 | 52074 Aachen).
Literatur
[1] DIN 1809: Mitnehmer an Werkzeugen mit Zylinderschaft.
[2] 5480: Passverzahnungen mit Evolventenflanken und Bezugsdurchmesser – Teil 1: Grundlagen.
[3] Ulrich Fischer: Tabellenbuch Metall. HaanGruiten: Verl. Europa-Lehrmittel 2011.
[4] Weck, M.; Reinartz, T.: Untersuchungen von Werkzeug und Spannsystemen unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten. Kassel: Verlag Institut für Arbeitswissenschaften Kassel 1999.
[5] Schubert, I.: Grenzlastverhalten von Schnittstellen zwischen Maschine und Werkzeug. Diss., RWTH Aachen, Aachen 1994.
[6] VDMA 34181: Grenzbelastbarkeit von HSK Schnittstellen Form A/C gemäß DIN 69893-1 und ISO 12164-1.
[7] 50100: Schwingfestigkeitsversuch Durchführung und Auswertung von zyklischen Versuchen mit konstanter Lastamplitude für metallische Werkstoffproben und Bauteile.


(Werkbilder: RWTH Aachen)

Druckversion Druckversion | Sitemap
© Fachverlag Möller