Analyse der Stabilität und der Dynamik von Fräsprozessen für die Hochleistungszerspanung zur Vermeidung von Ratterschwingungen bei wechselnden Prozessbedingungen
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Vorhabens sollte das dynamische Verhalten des Systems Werkzeug – Werkzeughalter – Spindel – Maschine beim Fräsen hinsichtlich der Stabilität von Fräsprozessen näher untersucht werden. In Abhängigkeit der systemspezifischen modalen Parameter, wie z. B. der Dämpfung, der Eigenfrequenzen und der Steifigkeit, treten je nach Wahl von Bearbeitungsbedingungen und Parametern Ratterschwingungen des Werkzeugs auf. Der Übergang vom stabilen, ratterfreien in den instabilen Prozess, bei dem verschiedene Arten von Ratterschwingungen auftreten, wird dabei Bifurkation genannt. Die eingesetzten Werkzeugsysteme werden durch die auftretenden Schwingungen hoch belastet, wobei die Qualität des Bearbeitungsergebnisses durch die unkontrollierte Auslenkung der Schneide beeinträchtigt wird. Der nutzbare Leistungsbereich moderner Werkzeugmaschinen wird somit insbesondere bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durch das dynamische Prozessverhalten eingeschränkt. Mit der Nachbildung des Werkzeugsystems im Modell unter Einbeziehung der experimentell ermittelten modalen Parameter kann das Schwingungsverhalten bei angreifenden Kräften rechnerisch ermittelt werden. In Versuchen ist es möglich, die spezifischen Zerspankraft- und Reibungskraftkoeffizienten zu bestimmen, und auf Grundlage von Zerspankraftmodellen die am Fräswerkzeug angreifenden Kräfte zu berechnen. Durch Experimente, mit denen unterschiedliche Eingriffsbedingungen wie das Fräsen auf gekrümmten Werkzeugbahnen oder das Bohr- und Ziehfräsen untersucht werden, kann das entwickelte Stabilitätsmodell für die unterschiedlichen Eingriffsbedingungen verifiziert werden. Die Vorhersage und Identifikation von stabilen Bearbeitungsbedingungen wird dadurch möglich, instabile Bereiche und Ratterschwingungen können vermieden, und der Prozess, soweit technologisch sinnvoll, an die dynamische Stabilitätsgrenze geführt werden. Die in diesem Vorhaben vorgestellten Ergebnisse sind für die industrielle Praxis von großer Bedeutung. Insbesondere die Erkenntnis, dass beim Fräsen mit Kugelfräsern auch große axiale Zustellungen möglich sind, kann produktiv genutzt werden. Voraussetzung ist jedoch, dass diese Prozessbedingungen bei der Bestimmung von Stabilitätskarten berücksichtigt und dass die Grenzen zur Ratterentstehung für den Einsatz des Werkzeugs bestimmt werden können. Ist eine Voraussage des stabilen Bereiches möglich, sollte eine Ausweitung des innerhalb dieses stabilen Parameterraums erfolgen. Eine weitere Möglichkeit, mit der das Stabilitätsverhalten des Kugelfräsers genauer abgebildet werden kann, stellt die Anpassung des verwendeten Zerspankraftmodelles dar. Dies kann derart erfolgen, dass die durch Ploughing hervorgerufene Schwingungsdämpfung durch einen eigenen Kraftterm abgebildet und im Zerspankraftmodell berücksichtigt wird. Bezüglich der Relativbewegungen, die den Regenerativeffekt hervorrufen, wurde die Dynamik des Werkzeugsystems betrachtet. Durch die Unterstellung, die Schwingungen fänden allein auf der Werkzeugseite statt, wird eine Vereinfachung des Systems vorgenommen, die dann zulässig ist, wenn steife Werkstückstrukturen vorliegen. Werden jedoch dünnwandige, filigrane Werkstücke bearbeitet, kommt es werkstückseitig ebenfalls zu Schwingungen mit ausgeprägten Amplituden. Zur erfolgreichen Rattervermeidung sollten diese nicht vernachlässigt werden.
Publications
-
Oberflächenqualität beim Fräsen mit zylindrischen Werkzeugen. ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 102 (2007) 778, S. 432-436
Biermann, D.; Surmann, T.; Enk, D.; Kahleyß , F.
-
Simulation of milling tool vibration trajectories along changing engagement conditions. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 47 (2007) 9, S. 1442-1448
Surmann, T.; Enk, D.
-
The effect of runout on milling tool vibration and surface quality Production Engeneering. Research and Development, 1 (2007) 3, S. 265-270
Weinert, K.; Surmann, T.; Enk, D.; Webber, O.
-
Modelling the Surface Structure Created by End Milling in the Presensce of Tool Vibrations In: Proceedings of the 11th CIRP International Conference on Modeling of Machining Operation, 16.09. – 18.09.2008, Gaithersburg, MD USA, Haigel, J.C. (Hrsg.), S. 23-29
Biermann, D.; Surmann, T.
-
On the chatter frequencies of milling processes with runout International Journal of Machine Tools and Manufacture, 48 (2008) 10, S. 1081-1089
Insperger, T.; Mann, B. P.; Surmann, T.; Stéphán, G.
-
The effect of tool vibrations on the flank surface created by peripheral milling CIRP Annals – ManufacturingTechnology, 57 (2008) 1, S. 375-378
Surmann, T.; Biermann, D.
-
NCChip – Simulation dynamikbedingter Strukturen auf der Werkstückoberfläche bei der NC- Fräsbearbeitung. In: Begleitband zum Fachgespräch Innovative Prozesse, Prozess – Simulation – Optimierung, 10.03.-11.03.2009, Dortmund, ISBN 978-3-9808-7184-6, S. 79-
Surmann, T.; Ungemach, E.
-
Untersuchungen zum dynamischen Stabilitätsverhalten von Fräswerkzeugen zur HSC- Bearbeitung, Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2009, ISBN 978-3-8027-8748-5
Enk, Dirk
