Transfer der auf Druckluft basierenden Methode zur Lärmminderung auf schnell rotierende Werkzeuge erweitert um die konstruktive Optimierung der Werkzeuggrundkörper- und Spanraumgeometrie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Thomas Stehle
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 396998561

• Erstellungsjahr: 2021

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die durchgeführten Untersuchungen folgten dem im Antrag geplanten Arbeitsplan und umfassten als erstes eine gründliche Recherche der messtechnischen und rechnergestützten Möglichkeiten zur Ermittlung der Strömungsverhältnisse der umgebenden Luft bei schnell rotierenden Werkzeugen, wie bspw. Fräs- und Kreissägewerkzeuge. Unter Bezugnahme auf die wesentlichen Aspekte am Markt vorhandener Simulationsprogramme wurde eine auf akustische und strömungstechnische Anwendungen hin gerichtete Auswahl von Softwaretools zur numerischen Simulation und Visualisierung durchgeführt. Dadurch konnten die spezifischen akustischen und strömungstechnischen Parameter von Werkzeugen im Originalzustand und nach einer lärmmindernden Modifizierung numerisch prognostiziert sowie Luftströmungen visualisiert werden. Auf Grundlage der hierbei simulierten Geometrieänderungen der Werkzeuggrundkörper, Spanraum- und Schneideinsatzprofilen wurden im Projekt konstruktive Gestaltungsmöglichkeiten konzipiert und in numerischen Parametersimulationen hinsichtlich ihrer Luftumströmungseigenschaften untersucht. Es wurden weitere Konstruktionsmaßnahmen an den Schneideinsatzprofilen und Spanräumen hinsichtlich ihrer schallreduzierenden Wirksamkeit erforscht und qualitativ bewertet. Die simulativen Untersuchungen zeigen, dass dadurch eine geeignete Veränderung der Luftströmungen an den Planfräsköpfen möglich und damit eine nachhaltige Reduktion der Schallemissionen erreichbar ist. Während des Projektablaufs wurden die ausgewählten Planfräsköpfe hinsichtlich der Lärmentstehung im Originalzustand experimentell untersucht. Als beispielhafte Repräsentanten dieser Werkzeuggruppe wurden drei besonders lärmintensive PKD-Fräser verwendet. Um die akustischen Parameter und das mögliche Potenzial der Lärmminderungsmaßnahmen bei diesen Werkzeugen messtechnisch korrekt zu untersuchen, wurde ein Rotationsprüfstand mit einer lärmarmen Motorspindel und universeller Werkzeugaufnahme HSK63 entwickelt. Der Prüfstand wurde im Schallmessraum der Klasse 1 des Instituts aufgebaut und in Betrieb genommen. Zur Durchführung der betriebsbezogenen Versuche wurde eine Reihe von Werkstückprototypen gefertigt und zum Nachbau der Produktionsbedingungen als sog. „Lufthindernisse“ verwendet. Im Projektablauf wurden experimentelle Untersuchungen mit den neu entwickelten Luftleitelementen LLE zur Lärmminderung durchgeführt, um deren prinzipielle Eignung zu untersuchen. Zudem wurden zahlreiche Akustikmessungen durchgeführt, um die Wirksamkeit dieser konstruktiven Lösung zu überprüfen. Die experimentellen und simulativen Untersuchungen bestätigen die prinzipielle Arbeitstauglichkeit der konzipierten LLE-Prototypen. Da sich der Lärmminderungseffekt durch die simultane Anwendung mehrerer Maßnahmen verstärkt, wird empfohlen, die Konstruktionsmaßnahmen zur Lärmminderung bereits in der Konzipierungs- und Entwicklungsphase von neuen schnell rotierenden Fräsern zu berücksichtigen und die Fertigungsmöglichkeiten für deren Ausführung zu prüfen. Weiterhin ist es gelungen, praxisgerechte Einsatzbedingungen für die untersuchten Werkzeug- LLE-Kombinationen bezüglich der im Arbeitsraum einer Maschine befindlichen Elemente wie z.B. Werkstück, Spannelemente zu finden und damit eine nachhaltige Schallsenkung zu erzielen. Daher können die entwickelten LLE als nützlich angesehen und für eine industrielle Anwendung auch bei anderen Fräswerkzeugen empfohlen werden. Die geprüfte Vorgehensweise zur Entwicklung von lärmarmen, schnell rotierenden Fräswerkzeugen stellt für Werkzeughersteller ein nützliches Tool für die Entwicklung geräuschreduzierter Werkzeuge dar. Die aus diesem Vorhaben resultierende methodische Herangehensweise zur konstruktiven Verbesserung von lärmarmen Planfräsköpfen kann prinzipiell auch auf andere schnell rotierende Werkzeugtypen übertragen werden, die mit PKD-Schneideinsätzen und Wendeschneidplatten ausgerüstet sind. Anzumerken ist jedoch auch, dass neben der Schallreduzierung für die Gesundheitserhaltung der Mitarbeiter*innen jede zusätzliche geometrische Formänderung an den Werkzeuggrundkörpern sowie an den Schneideinsätzen einen zusätzlichen Zeitund Kostenaufwand bei der Werkzeugherstellung bedeuten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (2018). Numerical flow simulation of rotating circular saw blades for the Investigation of Sound Generation mechanisms. Journal of Machine Engineering, 18 (1), 61–71
  Möhring, H. C., Stehle, T., Güzel, K., & Zizelmann, C.
  
• Besonderheiten der Lärmentstehung an schnell rotierenden Planfräsern im Leerlauf. In: Lärmbekämpfung. VDI-Akustik-Schallschutz-Schwingungstechnik, 16(05) 2021, S. 146-151
  Dobrinski, A., Stehle, T., Möhring, H.C.
  
• Lärmminderung an schnell rotierenden Planfräswerkzeugen im Leerlauf - Konstruktive Lärmminderungsmaßnahmen an Planfräswerkzeugen. In: wt online Werkstattstechnik, Ausgabe 10, 2021, S. 751-758
  Möhring, H. C., Stehle, T., D., Dobrinski, A.
  
• Lärmuntersuchung an schnell rotierenden Planfräswerkzeugen im Leerlauf - Lärmuntersuchung an PKD-Planfräsern im Leerlauf. In: wt online Werkstattstechnik, Ausgabe 5, 2021, S. 349-354
  Dobrinski, A., Stehle, T., Möhring, H. C.