Entwicklung und experimentelle Untersuchung eines Klemmmechanismus auf Basis von Hochlast-Formgedächtnisaktorik

Hochlastaktoren (HLA) sind zylindrische Bauteile (hier Länge = 8 mm, Durchmesser = 6,3 mm) aus Formgedächtnislegierung (FGL), die auf Druck belastet werden. Diese Elemente unterscheiden sich von herkömmlichen dünnen FGL-Elementen wie Drähten insbesondere durch die höhere Druckkraft, die sie während ihres Phasenwechsels ausüben können. Diese Diplomarbeit untersucht ihr Potenzial für die Konstruktion von automatisierten Werkzeugklemmsystemen für das Feinbohren. Dazu wurden die Anforderungen des Feinbohrens ermittelt und am Beispiel der Dimensionierung eines Drehfutters eine Zielgröße von etwa 10 kN Spannkraft ermittelt. Zwei Lösungen wurden untersucht. Die erste besteht aus einer Federhülse, die Radialspannkraft auf Zylinderschaftwerkzeuge ausübt und wurde aufgrund konstruktiven Schwierigkeiten und geringen übertragbaren Momente und Axialkräfte (ermittelt durch Finite-Elemente-Simulation) weggelassen. Die zweite Lösung besteht aus einem Linearantrieb mit einer beweglichen Spannbacke, die gegenüber einer festen Klemmbacke angeordnet werden muss. Nach der Erläuterung der Theorie ihrer Funktionsweise, wurde ein Demonstrator auf mechanische Fähigkeit und Langzeitstabilität, aber auch auf Regelung und Energieverbrauch experimentell untersucht. Dieser Demonstrator hat sich als funktionstüchtig erwiesen und kann derzeit 1kN nutzbare Spannkraft garantieren.

This thesis is based on the use of ""bulk"" shape memory alloy (SMA) components in the form of cylinders (here length = 8 mm, diameter = 6.3 mm). These elements are compression loaded and differ from conventional small SMA elements like wires, particularly in the higher compressive force they can exert during their phase change. This thesis examines their potential for the design of automated tool clamping systems for fine boring. For this purpose, the requirements of the fine boring process were determined and, using the example of the dimensioning of a lathe chuck, a target value of about 10 kN clamping force was calculated. Two solutions were investigated. The first one consists of a spring sleeve exerting radial clamping force on tools with cylindrical shank and was set aside due to design difficulties and low transmissible moments and axial forces (determined by finite element method simulation). The second solution consists of a linear actuator with a moving clamping jaw, which must be arranged opposite a fixed clamping jaw. After explaining the theory of its mechanics, a demonstration version has been studied experimentally regarding its mechanical capability and long-term stability, but also regarding its regulation and energy consumption. This demonstrator has proven to be functional and is currently capable of guaranteeing 1kN of useable clamping force.