Modellierung und Simulation wuchtungsabhängiger Struktureinflüsse
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel des Forschungsverbunds (LFM, RICAM, ZeTeM) war die Entwicklung eines Wechselwirkungsmodells zur Prognose erreichbarer Oberflächenqualitäten ultrapräzis zerpanter Bauteile unter Berücksichtigung des mechanisch-dynamischen Verhaltens ultrapräziser Werkzeugmaschinen und unter besonderer Berücksichtigung des Wuchtzustands. Zu diesem Zweck wurde eigens eine Versuchsplattform aufgebaut und hinsichtlich des Einsatzes einer automatischen 2-Ebenen-Wuchtung modifiziert. Die mit der 2-Ebenen-Wuchtung durchgeführten Bearbeitungsprozesse ultrapräzises Drehen und Fräsen wurden mit den Ergebnissen auf einer kommerziellen UP-Maschine mit 1-Ebenen-Wuchtung verglichen und bewertet. Die durchgeführten Untersuchungen ergaben hinsichtlich der unwuchtbedingten Beeinflussung der Oberflächentopografie, dass für unwuchtige Werkstücke im Wesentlichen die Rauheit erhöht wird. Die Form bleibt nach derzeitigem Kenntnisstand unbeeinflusst bzw. wird durch andere Effekte (Verformung durch Aufspannung) dominiert. Für den untersuchten Drehzahlbereich (500 ≤ n ≤ 2500) wurde keine weitere Strukturanregung der Maschine beobachtet, d.h. die Maschinenstruktur bleibt von einer möglichen Schwingungsanregung durch Unwuchten unbeeinflusst, einzig die Spindel erfährt eine drehzahlsynchrone Auslenkung. Dies konnte auch durch mehrere Modalanalysen belegt werden, bei denen erste Eigenfrequenzen der Versuchsplattform erst bei ca. 150 Hz auftraten. Die Untersuchung der Prozesskräfte hat ergeben, dass die einzige durch Unwuchten signifikant beeinflusste Kraftkomponente die Passivkraft ist, die bei einer vorliegenden Unwucht ansteigt. Die beiden anderen Kraftkomponenten Schnittkraft und Vorschubkraft bleiben von einer vorliegenden Unwucht nahezu unbeeinflusst. Hier wären weitergehende Untersuchungen erforderlich, um den Mechanismus zu erklären, der fast ausschließlich für eine Erhöhung der Passivkraft sorgt. Bezogen auf den Einsatz einer 2-Ebenen-Wuchtung in einer UP-Maschine hat sich gezeigt, dass die Schwingungen auch in der Bearbeitungsebene im Vergleich zur 1-Ebenen-Wuchtung reduziert werden können. Auf Grundlage der Bearbeitungsversuche (Prozess), der Schwingungsmessungen (Struktur) und der Modalanalysen (Struktur) wurde gemeinsam mit dem ZeTeM und dem RICAM ein Prozess-Struktur-Wechselwirkungsmodell formuliert. Die gemessenen Prozesskräfte wurden genutzt um Einflüsse auf den Werkzeugpfad zu implementieren und außerdem die Kopplung zwischen Prozess- und Strukturmodell zu realisieren. Die erzeugten Oberflächen wurden als Vergleichskriterium zwischen Simulation und Bearbeitung und damit für die Verfeinerung und Validierung des Modells genutzt. Dabei wurden neben den Oberflächenkenngrößen (Ra, PV) auch charakteristische Ausprägungen der Oberflächentopographie herangezogen.
Publications
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Brandt, C, Krause, A., Niebsch, J., Vehmeyer, J.; Brinksmeier, E.; Maaß, P., Riemer, O.
