Stabilitätssimulation für das HPC-Fräsen

Beschreibung

Die Produktivität von Werkzeugmaschinen wird häufig nicht durch die installierte Antriebsleistung, sondern durch selbsterregte Schwingungen, das sogenannte Rattern, begrenzt. Der Zerspanvorgang wird in solchen Fällen aufgrund der Kraft-Verlagerungs-Wechselwirkung zwischen Werkzeugmaschinenstruktur und Schnittprozess instabil. Die Folge sind hohe mechanische Belastungen der Maschinenkomponenten und der Werkzeuge. Unter solchen extremen Einsatzbedingungen kommt es nicht selten zu einer eklatanten Verkürzung der Lebensdauer einzelner Maschinenkomponenten und Werkzeugbruch. Die resultierenden Schäden führen zu aufwändigen Instandhaltungsarbeiten, welche hohe Stillstands- und Wartungskosten verursachen. Darüber hinaus sind instabil bearbeitete Werkstücke aufgrund von Oberflächenschäden meist Ausschuss. Die Vorhersage stabiler Prozessparameter zur Maximierung der Produktivität von Fräsmaschinen ist seit langer Zeit ein wichtiges Forschungsfeld. Es wurden Simulationsmöglichkeiten geschaffen, die unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Maschinenstruktur und des Zerspanprozesses eine Aussage über die Stabilität des Systems ermöglichen. Dennoch war die Ergebnisqualität solcher Untersuchungen bisher nicht ausreichend, um die Stabilitätssimulation in der Produktionsplanung und der Maschinenentwicklung sinnvoll einzusetzen. Das Ziel dieser Arbeit war es, zunächst die Teilsysteme Werkzeugmaschinenstruktur und Zerspanprozess sowie deren Abbildung in der Stabilitätssimulation zu untersuchen. Für die HPC-Fräsbearbeitung wurden Effekte mit Einfluss auf die Ergebnisqualität der Stabilitätssimulation identifiziert und quantifiziert. Um die notwendigen Arbeiten auf einer breiten Basis experimentell abzusichern, standen messtechnische Verfahren im Vordergrund der Betrachtung. Insbesondere die Berücksichtigung des Nachgiebigkeitsverhaltens unter Drehzahl und die direkte Messung der dynamischen Prozesskräfte ermöglichen dabei eine signifikante Steigerung der Vorhersagegenauigkeit.
Die Produktivität von Werkzeugmaschinen wird häufig nicht durch die installierte Antriebsleistung, sondern durch selbsterregte Schwingungen, das sogenannte Rattern, begrenzt. Der Zerspanvorgang wird in solchen Fällen aufgrund der Kraft-Verlagerungs-Wechselwirkung zwischen Werkzeugmaschinenstruktur und Schnittprozess instabil. Die Folge sind hohe mechanische Belastungen der Maschinenkomponenten und der Werkzeuge. Unter solchen extremen Einsatzbedingungen kommt es nicht selten zu einer eklatanten Verkürzung der Lebensdauer einzelner Maschinenkomponenten und Werkzeugbruch. Die resultierenden Schäden führen zu aufwändigen Instandhaltungsarbeiten, welche hohe Stillstands- und Wartungskosten verursachen. Darüber hinaus sind instabil bearbeitete Werkstücke aufgrund von Oberflächenschäden meist Ausschuss. Die Vorhersage stabiler Prozessparameter zur Maximierung der Produktivität von Fräsmaschinen ist seit langer Zeit ein wichtiges Forschungsfeld. Es wurden Simulationsmöglichkeiten geschaffen, die unter Berücksichtigung des dynamischen Verhaltens der Maschinenstruktur und des Zerspanprozesses eine Aussage über die Stabilität des Systems ermöglichen. Dennoch war die Ergebnisqualität solcher Untersuchungen bisher nicht ausreichend, um die Stabilitätssimulation in der Produktionsplanung und der Maschinenentwicklung sinnvoll einzusetzen. Das Ziel dieser Arbeit war es, zunächst die Teilsysteme Werkzeugmaschinenstruktur und Zerspanprozess sowie deren Abbildung in der Stabilitätssimulation zu untersuchen. Für die HPC-Fräsbearbeitung wurden Effekte mit Einfluss auf die Ergebnisqualität der Stabilitätssimulation identifiziert und quantifiziert. Um die notwendigen Arbeiten auf einer breiten Basis experimentell abzusichern, standen messtechnische Verfahren im Vordergrund der Betrachtung. Insbesondere die Berücksichtigung des Nachgiebigkeitsverhaltens unter Drehzahl und die direkte Messung der dynamischen Prozesskräfte ermöglichen dabei eine signifikante Steigerung der Vorhersagegenauigkeit.

Autor*in

Martin F Esser

Themen in »Stabilitätssimulation für das HPC-Fräsen«

Werkzeugmaschinen Zerspantechnologie Maschinentechnik Fertigungstechnik

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