Optimierung von Mikrofräsprozessen durch gezielte werkstückseitige Schwingungsanregung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel dieses Forschungsvorhabens war es, durch eine hochdynamische Verlagerung des Werkstücks während der Bearbeitung eine Optimierung des Hochpräzisionsfräsprozesses mit Schaftwerkzeugen zu erzielen. Zu diesem Zweck wurde ein geeignetes Zwei-Achs-Schwingungssystem entwickelt, welches das Werkstück horizontal in zwei Raumrichtungen zum Schwingen anregt. Das Zwei-Achs-Schwingungssystem besteht aus einer Werkstückaufnahme, welche auf den Festkörpergelenken in einer parallelkinematischen Ausführung gelagert ist. Die Werkstückaufnahme wird mit zwei Hochvolt-Piezoaktoren in X- und Y-Richtung angeregt. Die Position der Werkstückaufnahme wird mithilfe von zwei kapazitiven Sensoren bestimmt. Nach dem Aufbau des Zwei-Achs-Schwingungssystems wurden die statischen und dynamischen Eigenschaften des Systems analysiert. Die statische Auslenkung der Werkstückaufnahme entlang der X-Achse beträgt ΔLx = 20,5 µm und entlang der Y-Achse ΔLy = 28,6 µm. Dies ist auf die herstellungsbedingt unterschiedlichen maximalen Ausgangsspannungen der Piezoverstärker zurückzuführen ist. Für eine Analyse der dynamischen Eigenschaften des Zwei-Achs-Schwingungssystems wurde eine experimentelle Modalanalyse sowie Betriebsschwingungsanalyse durchgeführt. Es wurde festgestellt, dass der Frequenzbereich 2,4 kHz ≤ fa ≤ 3,0 kHz kritisch für das Zwei-Achs-Schwingungssystem ist und bei der Auswahl von Schwingungsparametern ausgeschlossen werden sollte, um eine Zerstörung der Piezokeramik zu vermeiden. Nach der vollständigen Analyse des Zwei-Achs-Schwingungssystems wurden unterschiedliche Regelungsstrategien für eine Kompensation des Rundlauffehlers mf und für eine gezielte Oberflächenstrukturierung des zu bearbeitenden Werkstücks entwickelt. Für die Erzeugung einer gleichmäßigen und reproduzierbaren Oberflächentopografie wurde die Schwingung der Werkzeugaufnahme mit der Spindelfrequenz fs, der Werkzeugschneidenposition und der Vorschubrichtung gekoppelt. Für die Kompensation des Rundlauffehlers mf wurde die Bewegung der Werkstückaufnahme mit dem Rundlauf m des Werkzeugs synchronisiert, um den Rundlauffehler mf aus dem Relativsystem Werkzeug-Werkstück zu eliminieren. Die Fräsversuche zeigten, dass die Kompensationsbewegung zur signifikanten Reduzierung der Gratbildung bei der Zerspannung von Messing CuZn39Pb3 führt. Außerdem wurde festgestellt, dass die alleinige Kompensation des Rundlaufs m keinen signifikanten Einfluss auf die absolute Fertigungsgenauigkeit GF aufweist. Deswegen ist der Einsatz eines solch komplexen Systems wie der des Zwei-Achs-Schwingungssystems nicht empfehlenswert. Die Erzeugung von reproduzierbaren und gleichmäßigen Oberflächentopographien durch das Zwei-Achs-Schwingungssystem war nicht erfolgreich. Trotz der umfangreichen technologischen Untersuchungen und Variationen der Prozess- sowie Schwingungsparameter wurden die im Antrag formulierten Ziele der Oberflächenstrukturierung nicht erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Besser mikrofräsen mit gezielten Schwingungen. Mikroproduktion (2014), Ausgabe 5, S. 32 – 35
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Mahr, F.; Perfilov, I.
- Zwei-Achs-Schwingungssystem zur gezielten Beeinflussung des Mikrofräsprozesses. wt Werkstattstechnik online, Jahrgang 104 (2014) H. 11/12, S. 710 – 715
Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Mahr, F.; Perfilov, I.
- Den Prozess im Griff – Mikrofräsen im Formbau. FUTUR 2/2015, S. 6 – 7
Perfilov, I.
- Two-axis vibration system for targeted influencing of micro-milling. 15th International Conference of the European Society for Precision Engineering and Nanotechnology (2015)
Uhlmann, E.; Perfilov, I.; Oberschmidt, D.
- Critical depth of cut and asymptotic spindle speed for chatter in micro milling with process damping. CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol. 65, 2016, S. 113 – 116
Wang, J.J.; Uhlmann, E.; Oberschmidt, D.; Sung, C.F.; Perfilov, I.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.cirp.2016.04.088) - Modellbasierte Prozessoptimierung für das Mikrofräsen. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg.: Uhlmann, E. Stuttgart: Fraunhofer IRB, 2016
Mahr, F.F.
