Kraftsensor Dynamische Zerspankraftmessung: Präzision und Innovation für Hochleistungs-Werkzeughalter

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Der japanische Werkzeughalter-Spezialist Nikken setzt auf genaue Zerspankraftmessung und umfassende Zerspankraftdaten eines Dynamometers von Kistler. Damit gelingt es Nikken, seine Lösungen für anspruchsvolle Metallbearbeitung weiterzuentwickeln – sowohl in Japan als auch in Europa. Unter den neuesten Innovationen des Unternehmens ist ein dynamisches doppelseitiges Werkzeug-Kontaktsystem, das 2022 den JSPE Technology Award erhalten hat.

Nikken Kosakusho Works produziert Hochleistungs-Werkzeughalter, CNC-Rundtische, Bohrlochräumer und eine Reihe weiterer hochentwickelter technischer Lösungen für Zerspankraftmessungen in vielen verschiedenen Branchen. Seit seiner Gründung 1958 hat sich das Unternehmen mit Hauptsitz in Osaka (Japan) zu einem globalen Netzwerk mit über 750 Mitarbeitenden an Standorten in 16 Ländern entwickelt. Heute beliefert Nikken Kunden aus ganz unterschiedlichen Industrien, zum Beispiel Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Motorsport, Energietechnik, Ur- und Umformen sowie Druckguss.

Das System von Kistler ermöglicht es uns, alle Zerspankräfte für eine neue Werkzeughalter-Serie zu messen.

Susumu Mikado, Nikken

2015 eröffnete der Werkzeugexperte das „Nikken Innovation Centre Europe“ (NICe) in Rotherham (UK). Dieser Vorzeigestandort beherbergt acht hochmoderne Bearbeitungszentren, die umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeit für Zerspanungsanwendungen ermöglichen. „In diesem Zusammenhang haben wir erstmals mit Messtechnik von Kistler gearbeitet. Seitdem setzen wir deren Lösungen kontinuierlich und mit Erfolg ein“, sagt Susumu Mikado, Senior ­Managing Director bei Nikken.

Zerspankraftmessung mit hoher Präzision

„Ziel in der Forschung ist es, alle Daten über die Schnittkräfte X, Y und Z zu korrelieren mit Parametern wie der Geschwindigkeits- und Drehmomenteinstellung am Dreiachs-Servomotor, dem Drehmoment der Spindel und der Genauigkeit und Stabilität der Schnittoberfläche – und dann diese Daten umfassend zu analysieren“, erklärt Mikado. „Das System von Kistler ermöglicht uns Zerspankraftmessung für eine neue Serie von Werkzeughaltern und außerdem die Prozessleistung aller Werkzeughalter zu vergleichen.“

Nikken hat die Produkte der Reihe X-Treme Chuck für anspruchsvolle Luft- und Raumfahrtanwendungen entwickelt. Sie bieten hohe Wiederholgenauigkeit und herausragende Rundlaufeigenschaften – kombiniert mit einer kompletten Vermeidung von Werkzeugbewegungen und dem Herausziehen des Fräswerkzeugs.

Nikken nutzte für die Entwicklung und Tests der Werkzeughalter ein Dynamometer 9255C von Kistler. Mit seinem breiten Portfolio an piezoelektrischen Dynamometern liefert Kistler Lösungen für Anwendungen wie Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen – von der Mikrobearbeitung bis zur Schwerzerspanung. Die Dynamometer des Anbieters kommen vor allem in F&E-Anwendungen zum Einsatz und spielen eine Schlüsselrolle bei der Optimierung von Fertigungsprozessen.

Zerspankraftmessung auf höchstem Niveau: Der piezoelektrische Sensoraufbau von Nikken im Einsatz

Dank seiner hohen Steifigkeit und Eigenfrequenz misst der von Nikken genutzte piezoelektrische Sensoraufbau – bestehend aus vier dreiachsigen Kraftsensoren – die Zerspankräfte und -momente in den drei Raumachsen mit hoher Präzision. Ein weiterer Vorteil des Dyna­mo­meters 9255C ist die hohe Auflösung, so dass es selbst bei hohen Kräften kleinste dynamische Änderungen erfasst. Dank Eigenschaften wie dem breiten Messbereich (Fx, Fy: ±30 kN, Fz: -10 bis 60 kN), der masseisolierten Sensorintegration und der Schutzklasse IP67 eignet sich das 9255C für Hochleistungs­anwendungen sowohl in Forschung und Entwicklung als auch der Produktion.

„Dank der Unterstützung von Kistler konnten wir Prozess und Methode für das ursprüngliche Werkstück, das 150 x 150 x 100 Millimeter maß, standardisieren. Unser Produkt wurde zunächst entwickelt, um Triebwerkskomponenten aus einer speziellen Titanlegierung herzustellen. Die Leistungsfähigkeit des Dynamometers, seine einfache Nutzung und die hohe Datenqualität – unter­stützt durch den herausragenden Service von Kistler – waren ausschlaggebend für den Erfolg unseres Projekts“, berichtet Mikado.

Die technologische Evolution vorantreiben

Im Jahr 2020 eröffnete Nikken ein weiteres Entwicklungszentrum am Hauptsitz in Japan – ausgerüstet mit neuesten Bearbeitungstechnologien für höchstmögliche Genauigkeit. „Das Dynamometer von Kistler haben wir in das neue Center mitgenommen. Seitdem hat das 9255C enorme Datenmengen über verschiedene Arten von Schäften und Futter bereitgestellt – nicht nur für die grundlegende Bewertung, sondern auch um Materialeigenschaften zu spezifizieren“, berichtet Mikado.

Die Leistungsfähigkeit des Dynamometers, seine einfache Nutzung und die hohe Datenqualität waren ausschlaggebend für den Projekterfolg.

Die F&E-Aktivitäten am neuen Technikzentrum in Osaka führten unter anderem zur Entwicklung eines dynamischen, doppelseitigen Kontaktwerkzeugsystems. Diese Innovation bildete die Basis für eine neue Serie von Werkzeughaltern mit unterschiedlichen Varianten, zum Beispiel das dynamische 2LOCK-Werkzeugsystem, das 2022 den „42nd Technical Award of the JSPE“ (Japan Society for Precision Engineering) gewonnen hat. Das neue System überzeugt durch weniger Vibrationen, einer höheren Laufruhe sowie durch eine verbesserte Genauigkeit und Lebensdauer. Die Vorteile ergeben sich dabei unabhängig von der Art des Materials, beispielsweise Aluminium, Stahl oder Legierungen.

„Das Dynamometer von Kistler hat uns nicht nur dabei geholfen, unsere Lösungen weiterzuentwickeln, sondern es hat sogar echten Innovationen den Weg bereitet. Der technische Support von Kistler Japan ist sehr gut – sowohl bei der Inbetriebnahme und dem ersten Wissensaustausch als auch wenn es darum geht, die Messkette und das gesamte F&E-System inklusive Schnittstellen und Datenverarbeitung zu optimieren“, ­resümiert Mikado.