Investigation of scaling effects on modeling and simulation of scaled milling processes
Final Report Abstract
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.
Publications
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