Vermeidung des Rückschlags beim Umfangsplanfräsen von Massivholz im Gleichlauf
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Holzbearbeitungsmaschinen besitzen ein hohes Unfallrisiko durch den sog. Rückschlag. Bisherige Maßnahmen gegen den Rückschlag sind Begrenzung des Schneidenüberstands und der Spanlückenweite, die zusammen die maximale Spanungsdicke einschränken. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurde das Konzept von Fasen an den Schneiden von Umfangsplanfräswerkzeugen zur Minimierung der Rückschlaggeschwindigkeit und -gefahr untersucht. Zunächst wurde für die experimentellen Untersuchungen ein Prüfstand aufgebaut, der einen Rückschlag unter reproduzierbaren Bedingungen erlaubt, ohne dabei den Bediener einer Gefährdung auszusetzen. Der Prüfstand wurde mit entsprechenden Halte- und Führungseinrichtungen aufgebaut sowie mit der zugehörigen Messtechnik. Anschließend wurde ein Modell des Rückschlagverhaltens von Fräswerkzeugen erstellt. Das komplexe Modell beruht auf den im Zerspanungsprozess angreifenden Kräften, die für die Beschleunigung und damit den Rückschlag der Werkstücke verantwortlich sind. Die Kräfte basieren auf den spezifischen Kräften und dem Spanungsquerschnitt, der anders als in der gewöhnlichen fräsenden Zerspanung nicht kommaförmig vorliegt. Nach Analysen der geometrischen und mathematischen Zusammenhänge und dem realen Rückschlagverhalten wurden neue Spangeometrien errechnet sowie die zykloide Gestalt des Schneidenflugkreises bei den hohen Vorschubgeschwindigkeiten berücksichtigt. Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde ein mathematisches Modell aufgebaut, um das Rückschlagverhalten zu simulieren, als Modellierungsumgebung wurde MATLAB/Simulink gewählt. Mit dem Modell wurden alle Einflussparameter physikalisch richtig erfasst und abgebildet, um einen Lösungswege für die Minimierung der Rückschlaggefahr abzuleiten. In den experimentellen Untersuchungen wurden rückschlagarme Schneiden zunächst auf die in der Zerspanung wirkenden Kräfte untersucht. Aus diesen Messergebnissen wurde der Mechanismus zur Minderung des Rückschlags bei gefasten Fräswerkzeugen abgeleitet. Diese Vermutungen wurden in realen Rückschlagversuchen überprüft. Die niedrigsten Rückschlaggeschwindigkeiten lassen sich mit einer Fasenbreite von 1 mm und einem Fasenwinkel von 0° erzielen. Die Rückschlaggeschwindigkeit dieser besten Fase beträgt nur 2,9 m/s. Dies liegt 84% unter dem Wert der Rückschlaggeschwindigkeit einer ungefasten Schneide. Nach dem Rückschlagverhalten wurden die Fasengeometrien bezüglich der Qualitätsbildung untersucht. Auch hier zeigte sich eine Fase von 0° mit 1 mm Breite als annehmbar. Diese Fasengeometrie wurde dann für die Untersuchungen zur Optimierung der Qualitätsbildung herangezogen. Hierbei wurden bei der gefasten Schneide (0°/1,0 mm) Frei-, Keil- und Spanwinkel systematisch geändert und die Einflüsse auf die Qualität erfasst. Unter allen Varianten erzielten die Kombinationen α/β/γ = 25°/55°/10° und α/β/γ = 10°/55°/25° die besten Ergebnisse. Diese Schneiden wurden noch auf ihr Verschleißverhalten hin untersucht, wobei auch gefaste und ungefaste Schneiden gegenübergestellt wurden. Eine Beurteilung der beiden Geometrievarianten α/β/γ = 25°/55°/10° und α/β/γ = 10°/55°/25° war schwierig, da beide auch in den Verschleißuntersuchungen sehr ähnliche Ergebnisse erbrachten. Mit einer systematischen numerischen Bewertung konnte aber die technische Wertigkeit der Schneide α/β/γ = 25°/55°/10° zu 85% bestimmt werden, was dem besten Ergebnis entspricht. Mit dieser Schneide ist die Oberflächenqualität gut, das Verschleißverhalten ausgezeichnet und die Rückschlaggefahr äußerst gering.
