Untersuchung von Größeneffekten bei der Modellierung und Simulation von skalierten Fräsprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben wurden grundlegende Untersuchungen zum Einfluss einer Herabskalierung von Werkzeugdurchmesser und Prozessparametem in den Mikrobereich auf den Fräsprozess durchgeführt. Der Ausgangspunkt lag in der Analyse der Werkzeuge und deren Auswirkungen auf den Prozess bei einer Verringerung des Werkzeugdurchmessers. Einen wesentlichen Größeneinfluss auf den Prozess stellt der Schneidkantenradius dar, der im untersuchten Durchmesserbereich unabhängig vom Werkzeugdurchmesser bei gleich bleibendem Werkzeugtyp immer in der gleichen Größenordnung liegt und somit nicht mitskaliert werden kann. Anhand eines Vergleichs beschichteter und unbeschichteter Werkzeuge sowie einer Variation des Schneidkantenradius durch abrasives Strahlen konnte der Einfluss des Schneidkantenradius auf den Prozess bestimmt werden. Ein großer Schneidkantenradius übt bei geringen Spanungsdicken aufgrund von Quetsch- und Pflügevorgangen und der damit verbundenen plastischen Verformung einen negativen Einfluss auf die Oberflächenqualität und die Zerspankräfte aus. Jedoch verbessert ein größerer Radius auch die Verschleißbeständigkeit des Werkzeugs, so dass hier ein Kompromiss aus diesen beiden gegenläufigen Tendenzen zu schließen ist. Die Kenntnis der auftretenden Zerspankräfte ist von großer Bedeutung für die Beurteilung der Auswirkungen der Skalierung auf den Prozess. Bei gleichzeitiger Skalierung der Spanungsdicke relativ zum Werkzeugdurchmesser konnte als Größeneffekt ein Anstieg der spezifischen Schnittkraft mit abnehmendem Werkzeugdurchmesser beobachtet werden. Dahingegen ist die Auswirkung des Durchmessers auf die spezifischen Schnittkräfte bei gleichbleibender Spanungsdicke nur gering. Durch eine Skalierung der Spanungsdicke bei konstantem Werkzeugdurchmesser konnte gezeigt werden, dass der Anstieg der spezifischen Schnittkräfte bei sinkender Spanungsdicke im Wesentlichen auf das steigende Verhältnis zwischen Schneidkantemadius und Spanungsdicke zurückzuführen ist. Um die Prozesssicherheit beim Mikrofräsen zu steigern und auftretende Größeneinflüsse auf den Prozess im Vorfeld der Bearbeitung zu ermitteln, ist die Simulation des Prozesses ein geeignetes Hilfsmittel. Es konnte gezeigt werden, dass ein ursprünglich für die Belange des Makrofräsens entwickeltes Simulationssystem durch die Ermittlung geeigneter Zerspankraftparameter in der Lage ist, die Zerspankräfte auch bei einer Herabskalierung des Prozesses vorherzusagen. Ausgehend von der Fräsbearbeitung einfacher Nuten wurden auch bei der Simulation komplexerer Verhältnisse, wie sie beispielsweise bei der Bearbeitung mit wechselnden seitlichen Eingriffsbreiten oder dem Fräsen von Nuttaschen auftreten, gute Übereinstimmungen zwischen Simulation und Experiment erzielt. Ein weiterer Größeneinfluss auf den Prozess wird durch den Werkzeugdurchmesser hervorgerufen. Ein geringerer Werkzeugdurchmesser führt in den Versuchen aufgrund des sinkenden Widerstandmoments zu einer Vergrößerung der Werkzeugabdrängung und damit verbunden zu einer höheren Abweichung der gefertigten Kontur von der Sollkontur. Durch geeignete Prozessparameterkombinationen konnte die Abweichung auch für kleine Werkzeugdurchmesser verringert werden. Darüber hinaus war es möglich, geeignete Strategien zu entwickeln, die ebenfalls zu einer Verringerung der Konturabweichungen beitragen. In einigen Versuchen zur Zerspankraftermittlung traten Rattererscheinungen des Werkzeuges auf. Aus diesem Grunde wurde der Einfluss von Werkzeugdurchmesser und Ausspannlänge auf den Nachgiebigkeitsfrequenzgang bestimmt. Weiterhin konnte mit Hilfe laseroptischer Wegsensoren die Bewegung der Werkzeugspitze in der Bearbeitungsebene aufgezeichnet werden, um so Einflussgrößen auf das dynamische Prozessverhalten zu ermitteln. Durch Anwendung des Poincare-Schnitts war es möglich, Parameterkombinationen zu identifizieren, bei denen der Prozess zum Rattern neigt. Ähnlich wie bei der Analyse der Werkzeugabdrängung zeigte sich auch hier, dass von den untersuchten Werkzeugen diejenigen mit Durchmessern unter 1 mm im Vergleich zu denen mit größerem Durchmesser deutlich höhere Schwingungsamplituden besitzen und stärker zu Werkzeugabdrängungen neigen. Die Ergebnisse dieses Projektes liefern eine Beschreibung der grundlegenden Einflussgrößen, die bei einer Herabskalierung des Fräsprozesses von Belang sind. Dieses Wissen kann von industriellen Anwendern dazu genutzt werden, die Prozesse zur Bearbeitung von Mikrostrukturen mit kleinen Werkzeugdurchmessern unter Berücksichtigung der auftretenden Größeneffekte auszulegen und somit eine höhere Prozesssicherheit und eine Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit zu erreichen. Zukünftig sollten die Untersuchungen auf weitere Werkstoffe, die in der Mikrozerspanung von Interesse sind, wie beispielsweise Titan oder rostfreie Edelstahle, ausgeweitet werden. Mit der entwickelten Simulation kann bisher die Bearbeitung 2,5-dimensionaler Mikrostrukturen simuliert werden. Darüber hinaus soll die verwendete Simulation auf die Bearbeitung von Freiformflächen mit Kugelfräsem erweitert werden, so dass auch die Schlichtbearbeitung komplexer Strukturen simuliert werden kann. Weiterhin sollen auch die Untersuchungen zur Werkzeugabdrängung auf komplexere Strukturen und Freiformflächen erweitert werden und es wäre ebenfalls von Interesse, für Untersuchungen zum dynamischen Verhalten der Werkzeuge den Einfluss des Verschleißzustandes mit berücksichtigen zu können sowie weitere Prozessparameter und Werkstoffe zu untersuchen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Analyse und Simulation des Mikrofräsprozesses. wt-Werkstattstechnik online 96 (2006) 11/12, S. 836-843
Kahnis, P.; Surmann, T.; Weinert, K.
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Analysis of Tool Influences on High-Precision-Micromilling of Steel Workpieces. In: Proceedings of the 6th euspen Intemational Conference Baden bei Wien - May 2006, ISBN 0-9553082-0-8, S. 128-131
Kahnis, P.; Weinert, K.
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Analysis and Simulation of Cutting Forces in Downscaled Milling Processes. In: Proceedings of the 10th CIRP International Workshop on Modeling of Machining Operations. Micari, F. and Filice, L. (Eds.), August 27-28, 2007, Reggio Calabria, Italy, ISBN 978-88-95267-04-3, S. 493-499
Biermann, D.; Kahnis, P.; Surmann, T.
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Analysis of Tool Influences on Downscaled Milling Processes. In: Proceedings of the 2nd International Conference on New Forming Technology. Vollertsen, F. and Yuan, S. (Eds.), September 20-21, 2007, Bremen, 978-3-933762-22-1, S. 481-489
Weinert, K.; Kahnis, P.
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Analyse von Größeneinflüssen bei einer Herabskalierung des Fräsprozesses in den Mikrobereich. Dissertation, Technische Universität Dortmund, 2008, Vulkan Verlag, Essen, ISBN 978-3-8027-8745-4
Kahnis, P.
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Dynamic analysis of the micromilling process - influence of tool vibrations on the quality of microstmctures. Material Wissenschaft und Werkstofftechnik, 39(2008) 9, pp. 616-621
Biermann, D.; Baschin, A.; Kahnis, P.
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Größeneinflüsse bei einer Herabskalierung des Fräsprozesses und Potenziale beim fünfachsigen Mikrofräsen von Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen. In: Spanende Fertigung, 5. Ausgabe, Hrsg. K. Weinert, D. Biermann, Vulkan Verlag, Essen, 2008, ISBN 978-3-8027-2943-0, S. 89-99
Kahnis, P.; Kahleyß, F.
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Influence of a Downscaling of the Tool Diameter on the Dynamic Behaviour of Micromilling Processes. Proceedings of the 3rd CIRP International Conference High Performance Cutting (HPC) 12.-13. Juni 2008, Dublin, Irland, Edts.: G. Byrne und G. O'Donnel, ISBN 978-1-905254-32-3, S. 169-178
Biermann, D.; Kahnis, P.
