Spannfutter: Drehbearbeitung durch Simulation optimieren

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Mit der Entwicklung immer leichterer Spannfutter für die Drehbearbeitung bedient Schunk die Anforderungen seiner Kunden, die energieeffizient und schnell ihre Bauteile produzieren wollen. Dazu nutzt Schunk Simulationslösungen von Ansys Elite Channel-Partner Cadfem zur Topologie- und Parameteroptimierung.

Das Keilhaken-Kraftspannfutter Rota NCE verbindet Leichtbau, Belastbarkeit und eine außergewöhnliche Formsprache. Die Geometrie des Drehfutters wurde so an den Kraftfluss angepasst, dass trotz Leichtbau maximale Steifigkeit im Spannfutter gewährleistet ist. Im Vergleich zu herkömmlichen Drehfuttern wurde die Massenträgheit um bis zu 40 Prozent reduziert.

Hohe Anforderungen an das optimierte Spannfutter

Die Spezialisten am Schunk-Kompetenzzentrum für Drehtechnik und stationäre Spannsysteme im oberschwäbischen Mengen wollten mit der Entwicklung des Rota NCE beitragen, das Energiemanagement gemäß DIN EN ISO 50001 zu verbessern. Ziel war, ein Spannmittel mit geringer Masse und Massenträgheit zu entwickeln, um so die erforderliche Beschleunigungsenergie und -dauer zu minimieren. Jedoch sollte die grundlegende Spannfunktion des Futters – Steifigkeit und Variabilität – vollständig beibehalten oder sogar erhöht werden. Auch die Rund- und Planlaufgenauigkeit musste gewährleistet sein.

Startmodell enthält wichtige Randbedingungen wie Kräfte und Lager

Für die Rund- und Planlaufgenauigkeit wurde mit einer Topologieoptimierung die Grobstruktur der Spannmittelkomponenten anhand des jeweiligen Kraftflusses bestimmt. Bei der darauf aufbauenden Parameteroptimierung wurden die entstandenen Abmessungen so variiert, dass eine optimale Feinstruktur entsteht. Das so konstruierte Spannmittel konnte dann durch FE-Analysen bewertet und mit den Vorgängern verglichen werden.

„Für die Topologieoptimierung haben wir in Ansys ein Startmodell definiert, das wichtige Randbedingungen wie Kräfte und Lager enthält“, erklärt Mathias Siber, der das Projekt zum Thema seiner Masterarbeit machte. „Als Zielfunktion der Optimierung wurde die Maximierung der Steifigkeit gewählt, wobei die Restriktion der Masse bei 70, 50 beziehungsweise 30 Prozent der Ausgangsmasse liegen sollte.“ Außerdem wurden Funktionsflächen gekennzeichnet, die in ihrer ursprünglichen Form verbleiben sollten, um sie von der Optimierung auszuschließen.

Spannfutter mit Patent vor Nachahmungen schützen

Der Optimierungsalgorithmus ermittelte dann entsprechend den mechanischen Belastungen und abhängig von den vorgegebenen Masserestriktionen die geometrische Grundgestalt. Dabei entstanden im Futterkörper Gewölbestrukturen unterhalb der Backenführung und kreisförmige Aussparungen zwischen den Führungsbahnen sowie insgesamt eine konische Futterkontur.

„Durch die Topologieoptimierung konnte das Drehfuttergewicht deutlich reduziert werden, was sich auch positiv auf die Belastung der Spindellagerung auswirkt“, berichtet Philipp Schräder, Leiter der Entwicklung Spanntechnik. „Außerdem haben wir die neue, optimierte Gewölbestruktur als Geschmacksmuster beim deutschen Patent- und Markenamt registriert, um uns vor Nachahmungen zu schützen.“

Sensitivitätsstudien zeigen Einfluss der Parameter

Nach der Topologieoptimierung erfolgte die Parameteroptimierung anhand von Sensitivitätsstudien mit Ansys optiSLang. So wurde der Einfluss der Eingangsparameter auf die angestrebten Ausgangsdaten untersucht, visualisiert und bewertet. Der anschließende Optimierungsalgorithmus suchte nach dem Minimum der definierten Zielfunktion, unter anderem möglichst wenig Aufbäumung auch bei hoher Spannkraft.

Dabei wurden neben dem Futterkörper auch die Grund- und Aufsatzbacken berücksichtigt. „Mit optiSLang konnten wir untersuchen, wie die Backenführung aussehen muss“, erläutert Mathias Siber. „Wir analysierten, welche Parameteränderungen zum gewünschten Ergebnis führen, nämlich wenig Verformung bei geringem Gewicht.“

Für die Grundbacke waren die Masse und die axiale Aufbäumung maßgebend. Es dominierten die Parameter „Tiefe der Führung im Futterkörper“ und „Breite der Führungsnut“. Dabei hatte die Tiefe der Führung gegensätzliche Auswirkungen, denn je tiefer die Führung im Futterkörper liegt, desto geringer ist dessen Aufbäumung. Dagegen steigt jedoch die Masse der Grundbacke proportional dazu an.

Mehrzieloptimierung erleichtert die Auslegung

In dem skizzierten Fall wird nach der Parameterkonstellation mit geringer Aufbäumung bei gleichzeitig niedrigster Grundbacken-Masse hin optimiert. Das Ergebnis dieser Mehrzieloptimierung ist ein optimales Tiefe-Breite-Verhältnis von 2:3 für die Grundbackenführung. Damit lässt sich das Verhalten des Produktes bei unterschiedlicher Auslegung sehr genau untersuchen und ein „robustes“ Design erstellen.

Während mit der Topologieoptimierung die leichteste Futtergestalt berechnet wurde, konnten mit der Parameteroptimierung sehr hohe Steifigkeit und reduzierte Kerbspannungen abgesichert werden, um eine größtmögliche Lebensdauer der Spannfutter zu erreichen. Hinzu kam wurde ein rechnerischer Festigkeitsnachweis nach FKM-Richtlinie.

Spannfutter: Prototyp erfüllt sämtliche Anforderungen

Nach der Optimierung sind von jeder Futtergröße Prototypen gefertigt worden. Diese wurden dann auf dem Prüfstand untersucht und verifiziert, wobei bis zu 500.000 Zyklen getestet wurden. „Wie auch bei anderen Projekten war aufgrund der umfangreichen Simulationen während der Entwicklung nur ein Prototyp pro Baugröße notwendig, der den Anforderungen voll und ganz entsprach“, betont Philipp Schräder. „Da ein Prototypentest mehrere Monate dauern kann, liegt auch die Zeitersparnis durch die Simulation in diesem Größenbereich, das heißt bei einer Neuentwicklung bei rund einem halben Jahr.“

Durch die Topologie- und Parameteroptimierung konnte ein Leichtbau-Spannfutter realisiert werden, bei dem die Masse um 30 beziehungsweise die Massenträgheit um 40 % reduziert wurde. Daraus ergeben sich Vorteile wie verkürzte Beschleunigungsphasen und geringerer Spannkraftabfall unter Drehzahl, resultierend aus einer 20 % geringeren Backen-Fliehmasse.

Durch die Parameteroptimierung im Bereich der Backenführung wurde zudem eine Erhöhung der Steifigkeit des Futters bei gleichzeitig reduziertem Spannungsniveau erzielt. Dies führt zu einer Steigerung der maximal ertragbaren Spannkraft um 20 %. In Verbindung mit der reduzierten Backen-Fliehmasse lässt sich so eine Drehzahlsteigerung von 10 % erreichen.

Höhere Produktivität und weniger Energieverbrauch

Für Anwender bietet das Drehfutter Schunk Rota NCE ideale Voraussetzungen für eine hohe Prozessdynamik und Produktivität bei minimalem Energieverbrauch. Vor allem in der Großserienfertigung führt das energie- und taktzeiteffiziente Futter zu deutlichen Einsparungen und ist damit bestens für die Energiemanagement-Zertifizierung DIN EN ISO 50001 geeignet.

Der Autor Gerhard Friederici ist Redakteur bei der Cadfem Germany GmbH.

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