Ganzheitliches Prozessmodell für die ultraschallunterstützte Gesteinszerspanung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Verfahren der ultraschallunterstützten Bearbeitung von Gestein bietet wesentliche Prozessverbesserungen im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung. So konnte in einem vorausgegangenen Forschungsprojekt eine Reduktion der Zerspankräfte um bis zu 80 % und ein verbessertes Ausbruchsverhalten nachgewiesen werden. Dennoch wird das hybride Verfahren kaum in der Industrie verwendet. Dies ist vor allem dem geringen Prozessverständnis geschuldet. Um dies zu verbessern, wurde in diesem Projekt der Prozess tiefergehend untersucht und die Ergebnisse zur Erstellung eines ganzheitlichen Prozessmodells genutzt. Wesentliche Erkenntnisse bezüglich der Prozessabläufe waren mittels linearer Ritzversuche mit einem einzelnen, an einem Ultraschallschwinger befestigten, Diamantkorn möglich. Der Kontaktvorgang zwischen dem hochfrequent schwingenden Diamantkorn und senkrecht hierzu linear bewegten Gesteinsproben wurde mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera visualisiert. Die Auswertung der Videoaufnahmen und Kraftverläufe zeigte bei schwingungsüberlagerter Prozessführung das Auftreten von Mikrohämmern und einen dreiphasigen Kontaktvorgang (Stoßkontakt, Eindringen und Separation). Darüber hinaus wurde ein Zusammenhang zwischen dem dominierenden Spanbildungsmechanismus und der Schnittgeschwindigkeit bei Schwingungsüberlagerung nachgewiesen. Während bei langsamen Schnittgeschwindigkeiten die Spanbildung infolge des Auftreffens der Diamantfreifläche auf die Probenoberfläche (Mikrohämmern und Sekundärspanbildung) entsteht, dominiert bei hohen Schnittgeschwindigkeiten die Spanbildung vor der Schneide (Primärspanbildung). Des Weiteren konnten in den schwingungsunterstützten Ritzversuchen zwei entgegengesetzt wirkende, d.h. die Prozesskraft beeinflussende Mechanismen festgestellt werden. Einerseits führt eine Erhöhung der Schwingungsamplitude in der Kontaktzone zur Abnahme der Zerspankraft infolge der ansteigenden Schwingungsgeschwindigkeit und der damit verbundenen Reibungsreduktion. Gleichzeitig wirkt sich eine höhere Schwingungsamplitude auf die effektive Zustellung aus, wodurch der Spanungsquerschnitt zunimmt und die Zerspankraft steigt. Der beschriebene Prozess wurde mit experimentell verifizierten Modellen beschrieben. Hierzu wurden Prozess und System in die Teilsysteme Werkzeug, Materialabtrag, Prozesskräfte, Kinematik und Ultraschallsystem aufgeteilt, separat modelliert und zu einem iterativen Gesamtmodell zusammengefügt. Das Ultraschallsystem wurde mit den berechneten Prozessbelastungen beaufschlagt und das daraus resultierende Schwingungsverhaltes des Systems ermittelt. Der jeweils nächste Iterationsschritt wird mit den neu berechneten kinematischen Randbedingungen durchgeführt. Zur Kopplung der Teilmodelle wurde ein generisches Framework entwickelt, mit dem unterschiedlichste und beliebig viele Teilmodelle verbunden werden können. Sowohl das Framework als auch die modularen Teilmodelle können auch über das Forschungsprojekt hinaus verwendet werden. Zusammenfassend konnte durch die experimentellen und modellbasierten Untersuchungen ein erhöhtes Verständnis über den Prozess selbst und die prozessspezifischen Einflussparameter erreicht werden. Das erstellte Gesamtmodell stellt ein nutzbares Werkzeug zur Auslegung der Systemkomponenten dar. Mittels modellgestützter Parameterstudien wurde die Lagerung des Ultraschallschwingers als wesentlich für das Schwingverhalten unter Last identifiziert. Eine dementsprechend optimierte Schwinger-Werkzeugkombination wurde mittels des Gesamtmodells und eines Optimierungsalgorithmus bestimmt und anschließend aufgebaut. Mit beiden Schwingungsgebilden wurden Bohr- und Fräsuntersuchungen durchgeführt. Das optimierte System zeigte eine höhere Prozesskraftreduktion (68 – 90 %) als das Ausgangssystem (41 - 80 %). Darüber hinaus zeigte sich das optimierte Schwingungsgebilde robuster gegenüber der Änderung von Prozessgrößen. Auch bezüglich der elektrischen Leistung wies das optimierte System ein verbessertes Verhalten auf. Durch den Betrieb der Ultraschallsysteme mit einer prozessoptimal ausgelegten Phasen- und Amplitudenregelung, war es zudem möglich, die nötige elektrische Leistung bei beiden Ultraschallsystemen deutlich zu reduzieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A transfer matrix method for the design of resonant piezoelectric devices. 10th International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications, Hannover (Germany), 2013
Wurpts, W.; Bruns, P.; Twiefel, J.
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A transfer matrix method for the design of resonant piezoelectric devices. In: 10th International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications, Hannover (Germany), 2013
Wurpts, W.; Bruns, P.; Twiefel, J.
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Influences of Non-axial Process Loads on the Transducer and the Associated Mounting in Ultrasonic Machining. Energy Harvesting and Systems. ISSN (Online) 2329-8766, ISSN (Print) 2329-8774, April 2015
Bruns, P.; Twiefel, J.
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Investigation of Process Forces of Ultrasonically Assisted Scratch Tests. 3rd International Conference on Stone and Concrete Machining (ICSCM), November 2-3, 2015 Bochum
Stehle, T.; Eisseler, R.; Drewle, K.; Weiland, S.; Bruns, P.; Twiefel, J.
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Investigation of Process Forces of Ultrasonically Assisted Scratch Tests. In: Proceedings of the 3rd International Conference on Stone and Concrete Machining (ICSCM), November 2-3, 2015 Bochum, S. 137-145
Stehle, T.; Eisseler, R.; Drewle, K.; Weiland, S.; Bruns, P.; Twiefel, J.
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Das Große im Detail verstehen – Ultraschallunterstützte Ritzversuche. In: diamond business 56 (2016) 1, S. 82-91
Stehle, T.; Drewle, K.; Weiland, S.
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Experimental and Theoretical Investigation of a Vibro- Impact Process Utilizing an in situ Capacitive Distance Measurement. In: Proceedings of ISMA2016 International Conference on Noise and Vibration Engineering, 2016, Löwen
Bruns, P.; Twiefel, J.; Wallaschek, J.
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Experimental and Theoretical Investigation of a Vibro-Impact Process Utilizing an in situ Capacitive Distance Measurement. ISMA2016 International Conference on Noise and Vibration Engineering, 2016, Löwen
Bruns, P.; Twiefel, J.; Wallaschek, J.
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Modeling of Ultrasonic Processes Utilizing a Generic Software Framework. IOP Publishing Ltd IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 211, conference 1, 2017
Bruns, P., Twiefel, J., Wallaschek, J.
