Der nächste Schritt zur virtuellen Werkzeugmaschine: Simulation der Dämpfungseffekte verursacht durch die Maschine-Prozess-Interaktion

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 420581965

Die Interaktionen zwischen Maschine und Prozess können zu ungewollten Schwingungserscheinungen und sogar zu Instabilitäten wie Rattern führen. Die Folgen sind erhöhter Werkzeugverschleiß, unzureichende Bearbeitungsergebnisse bis hin zu Beschädigungen an der Werkzeugmaschine. Um diese ungewollten Schwingungserscheinungen zu vermeiden und die Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine zu steigen, ist es erforderlich, in der Simulation die Interaktion zwischen Maschine und Prozess mit hoher Genauigkeit zu prognostizieren. In der von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Forschungsgruppe "Dämpfungseffekte in Werkzeugmaschinen" wurde die Dämpfung in der mechatronischen Werkzeugmaschinestruktur analysiert und für die verschiedenen Dissipationsquellen prognosefähige lineare und nichtlineare Dämpfungsmodelle identifiziert. Durch das Verwenden eines geeigneten Modellierungsansatzes konnten die verschiedenen Einflussfaktoren auf die Dämpfer der mechatronischen Werkzeugmaschinenstruktur in der Simulation berücksichtigt werden. Dieser Modellierungsansatz zusammen mit den identifizieren Dämpfungsmodellen ermöglichen es, das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinenstrukturen mit hoher Genauigkeit zu prognostizieren. Um auch den Prozess in der Simulation zu berücksichtigen, werden geeignete Zerspankraftmodelle benötigt. Wie lange Zeit auch bei der Werkzeugmaschinenstruktur besteht bei der Zerspankraftmodellierung das wesentliche Problem in der Berücksichtigung der Dämpfung. Prozessdämpfung entsteht durch die Interaktion zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück. Dabei wird durch die Prozessdämpfung insbesondere die Prozessstabilität bei geringen Schnittgeschwindigkeiten beeinflusst. Dies spielt bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien wie Titan oder Nickellegierungen eine wichtige Rolle. Durch das Vernachlässigen der Prozessdämpfung werden die Stabilitätsgrenzen bei geringen Schnittgeschwindigkeiten fehlerhaft prognostiziert. Zudem wird durch den Prozess die Dämpfung in der Werkzeugmaschinenstruktur beeinflusst: Variierende Maschinenpositionen, Verfahrgeschwindigkeiten, Spindeldrehzahlen sowie Belastungen in den Maschinenkomponenten verändern die Strukturdämpfung, werden aber nach dem Stand der Forschung und Technik nicht im erforderlichen Maße beachtet. Um folglich das Gesamtsystem Werkzeugmaschine aus Maschine und Prozess in der Simulation mit ausreichender Genauigkeit abzubilden und nach der Forschungsgruppe den nächsten Schritt zur virtuellen Werkzeugmaschine zu gehen, ist es erforderlich, nach der Dämpfung aus der Werkzeugmaschinenstruktur die Einflüsse aus dem Prozess auf die Dämpfung zu Untersuchungen und mit in der Simulation zu berücksichtigen. Dadurch ergeben sich neue Möglichkeiten zur Optimierung der Werkzeugmaschine, zur Erweiterung der Stabilitätsgrenzen, zur gezielten Auslegung des Bearbeitungsprozesses und folglich zur Erhöhung der Zerspanungsleistung durch das Ausnutzen von Stabilitätsmaxima.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Spindelerweiterung
• Gerätegruppe: 2030 Fräsmaschinen