Kompakte luftgelagerte Werkzeugspindel für Herstellung und Anwendung von Mikrofräswerkzeugen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel des Projekts war die Fertigung von Mikrostrukturen mit konstantem Zahnvorschub und die Entwicklung einer luftgelagerten Werkzeugspindel für Mikrofräswerkzeuge. Die Mikrofräswerkzeuge mussten mit sehr hohen Drehzahlen bei gleichzeitig geringer Rundlaufabweichung betrieben werden, um beim Fräsen eine hohe Genauigkeit und Oberflächengüte zu erzielen. Das Projekt bestand aus der strömungstechnischen Auslegung des pneumatischen Antriebs in Form einer Turbine, der strömungs- und regelungstechnischen Auslegung der Drehzahlregelung, der Charakterisierung der Luftlagerspindel, der Fräserherstellung und den Zerspanversuchen. Bei der Auslegung der Turbine und der Entwicklung der Drehzahlregelung wurden neue Erkenntnisse über die Leistungsfähigkeit und die Dynamik verschiedener Parameter von turbinenangetriebenen Spindeln gewonnen. Das entwickelte Regelsystem war geeignet, aber die Turbine war für die Drehzahlregelung mit konstantem Zahnvorschub ungeeignet, da das Drehmoment der Turbine zu niedrig war, um die Spindeldrehzahl schnell anzupassen und die Solldrehzahl zu erreichen. Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde eine alternative Spindel verwendet, bei der die Drehzahlanpassung auf Basis der Reglerentwicklung direkt in die Maschinensteuerung integriert wurde. Die Rundlaufmessungen zeigten, dass das Polygonspannfutter bessere Rundlaufeigenschaften als das Schrumpffutter hatte und dass der Rundlauf der Fräswerkzeuge im Gegensatz zu den Rohlingen stärker drehzahlabhängig war. Die Zerspanversuche zeigten, dass das Mikrofräsen mit konstantem Zahnvorschub zu keiner Verbesserung der Oberflächenqualität der Nuten führte. Weiter war das Mikrofräsen mit konstanter Drehzahl und wechselndem Zahnvorschub zur Erreichung der eingestellten die Nuttiefe und Nutbreite besser geeignet als das Mikrofräsen mit konstantem Zahnvorschub und wechselnder Drehzahl.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical analysis of different turbine designs for high-frequency spindles. Proceedings of the 23nd euspen International Conference (2023): S. 211-214. ICE23105.pdf (euspen.eu)
A. Lange, N. Altherr, B. Kirsch & J.C. Aurich
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Influence of constant feed per tooth via spindle speed adaption on groove quality in micro milling. Procedia CIRP, 123, 458-463.
Kirsch, Benjamin; Lange, Andreas; Altherr, Nicolas & Mayer, Tobias
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Modelling and control of turbine-driven spindles for micro machining with constant feed per tooth. Proceedings of the 24th international conference of the euspen (2024): S. 463-466. ISBN: 978-1-9989991-5-6
A. Lange, N. Altherr, F. Zell, B. Kirsch & J.C. Aurich
