Safety of slim tool extensions for milling operations at the limit

Abstract

The use of slim tool extensions (STEs) in manufacturing processes has become an important factor for productivity considering complete machining of complex workpieces. Operating errors, e.g. that lead to a crash, can cause plastic deformation of STEs during the machining operation and therefore lead to an increased moment of inertia, as well as an increased rotational energy due to the machine tool’s spindle speed controller. Currently used machine tool enclosures are not designed to withstand such failures with regards to the increase in kinetic energy. Due to the possible exposure of the operator to the identified hazard and the corresponding severity of the harm, the hazardous situation is associated with a high risk. In this paper, the failure scenarios are identified and modeled. This includes the calculation of elastoplastic deformations of STEs based on finite element analysis and analytical calculations of the kinetic energy of rotating deformed STEs. As an exemplary result the operating limits of STEs for a HSK 40/50 tool holder are presented. Based on the described model a parameter study and a sensitivity analysis were carried out. For experimental validation of the described model a speed-up test stand is presented. Lastly, measures for risk reduction in accordance with the three-step method are suggested.

Abstract

Der Einsatz schlanker Werkzeugverlängerungen (sWZV) in Fertigungsprozessen ist zu einem wichtigen Faktor für die Produktivität bei der Komplettbearbeitung komplexer Bauteile geworden. Bedienfehler, z.B. solche die zu einem Crash führen, können plastische Verformungen der sWZV während der Bearbeitung bewirken und dadurch zu einer Erhöhung des Massenträgheitsmomentes sowie der Rotationsenergie aufgrund der Drehzahlregelung der Werkzeugmaschine führen. Derzeit verwendete trennende Schutzeinrichtungen sind gegen solches Versagen hinsichtlich der kinetischen Energie nicht ausgelegt. Aufgrund einer möglichen Exposition des Bedieners mit den identifizierten Gefährdungen und damit verbundener Schadenswirkungen geht eine solche Gefährdungssituation mit einem hohen Risiko einher. In diesem Beitrag werden Versagensszenarien identifiziert und modelliert. Dies beinhaltet FE-basierte Berechnungen der elastoplastischen Deformationen von sWZV und analytische Berechnungen der kinetischen Energie von deformiert rotierenden sWZV. Als beispielhaftes Ergebnis werden die Einsatzgrenzen von sWZV für eine HSK 40/50 Werkzeugaufnahme präsentiert. Basierend auf der beschriebenen Modellierung wird eine Parameterstudie und Sensitivitätsanalyse durchgeführt. Zur experimentellen Validierung wird ein Hochfahrversuchsstand vorgestellt. Maßnahmen zur Risikoreduktion mit Bezug zum Drei-Stufen-Verfahren werden vorgeschlagen.