Entwicklung einer Methodik zur automatisierte Gestaltoptimierung von Werkzeugen am Beispiel eines BTA-Tiefbohrkopfs
Final Report Abstract
BTA-Tiefbohren ist ein spanendes Fertigungsverfahren zur Erzeugung von Bohrungen mit einem l/d-Verhältnis von mehr als drei. Die Eigenschaften und die Gestalt des BTA-Bohrkopfs besitzen dabei großen Einfluss auf die Prozessstabilität, -sicherheit und -effizienz. Im Rahmen dieses Projekts soll mit Hilfe von Topologieoptimierungsmethoden eine einsatzoptimierte Gestalt des Bohrkopfes ermittelt werden, um so eine Effizienzsteigerung des Prozesses zu ermöglichen. Durch die optimierten Bohrköpfe kann die Prozessstabilität bei der Zerspanung von schwer zerspanbaren Werkstoffen entscheidend verbessert werden. Beim BTA-Tiefbohren wird der Kühlschmierstoff entlang der Bohrung zwischen Bohrungswand und Werkzeug zur Wirkstelle gefördert. Die dort anfallenden Späne werden zusammen mit dem KSS durch in den Werkzeugkopf eingelassene Spanmäuler über das Innere des Werkzeugs abgeführt. Prinzipbedingt ist der Bohrkopf daher hohl ausgeführt. Die Anzahl an Spanmäulern ist davon abhängig, ob eine geteilte oder eine durchgängige Schneide eingesetzt wird. Bei einer geteilten Schneide sind meist zwei Spanmäuler in den Bohrkopf eingelassen, bei ungeteilter Schneide lediglich eines. Der Trend geht zunehmend zu geteilten Schneiden, da hier die resultierende Belastung geringer ausfällt. Die Weiterentwicklung und damit gezielt die Veränderung von Werkzeugen besitzt den Hintergrund, bestimmte Kriterien, wie z. B. die Stabilität, das Verschleißverhalten, etc. zu optimieren. In der Praxis werden Werkzeuganpassungen an BTA-Bohrköpfen häufig durch eine Trial-and-Error-Vorgehensweise realisiert. Vor allem durch Prozessstörungen, Verschleißerscheinungen am Werkzeug und veränderte Oberflächengüten bzw. Toleranzabweichungen bearbeiteter Bauteile werden Untersuchungen am Werkzeug und dessen Eingriffsbedingungen initiiert. Dabei ist häufig eine iterative Vorgehensweise sinnvoll, indem geringfügige Änderungen vorgenommen und deren mögliche Auswirkungen analysiert werden. Oft sind die Erfahrungswerte des Konstrukteurs entscheidend für eine effektive Werkzeuganpassung. Dabei ist zu bedenken, dass jeder positive oder auch negative Effekt im Bearbeitungsprozess nicht unmittelbar den Werkzeugmanipulationen zugeschrieben werden kann. Änderungen finden üblicherweise in dem CAD-Modell des Werkzeugs statt, so dass auf dieser Basis beispielsweise Bearbeitungsstrategien (NC-Daten, PP) zur Herstellung des optimierten Werkzeugs generiert werden können. Eine Optimierung baut entsprechend auf dem Ausgangszustand eines Bauteils, der in gewisser Hinsicht nicht zufriedenstellend ist, auf. In diesem Zusammenhang können softwaregestützte Optimierungsmethoden zum Einsatz kommen, die den Konstrukteur in der Ausgestaltung von Bauteilen unterstützen sollen. Dabei müssen meistens mehrere, verschiedenartige Kriterien erfüllt werden, so dass unterschiedliche Optimierungstypen gefordert sind. Hier existieren verschiedene Software-Tools, die häufig in der Produktentwicklung mit weiteren CAE-Tools kombiniert bzw. in diese integriert werden. Künftige Arbeiten können in zwei unterschiedliche Richtungen voran getrieben werden. Zum einen soll die Leistungsfähigkeit des neu gestalteten Bohrkopfes in experimenteller Form untersucht werden. Damit lässt sich dann abschließend die Verbesserung des Prozesses durch das optimierte Bohrkopfdesign quantifizieren, wozu sowohl Versuche zur Steigerung des Vorschubes als auch Versuche mit schwer zerspanbaren Werkstoffen durchgeführt werden müssten. In diesem Zusammenhang ist es jedoch notwendig, das neue Bohrkopfdesign auch umzusetzen und zu realisieren. Seitens eines Werkzeugherstellers für BTA-Tiefbohrköpfe wurde bereits Interesse bekundet, das Bohrkopfdesign zu fertigen und auch die experimentelle Anwendung zu unterstützen. Die Bohrkopfgestalt basiert dann auf einem durch die Topologieoptimierungssoftware gelieferten Designvorschlag, welcher seitens eines Konstrukteurs in einer CAD-Umgebung manuell umgesetzt wurde. Dies weist auch auf den zweiten Ansatz zur Weiterentwicklung hin. Diese Entwicklung sollte seitens der Software stattfinden. Hier bedarf es deutlicher Verbesserungen, um das Ergebnis der Optimierung weiter verarbeiten zu können. Nur dann ist ein Potenzial als Konstruktionshilfe zur Werkzeugentwicklung gegeben. Derzeit können die von der Postprocessingoption Smoothing erzeugten Daten nicht in andere Systeme überführt werden, sondern lediglich die Punktewolken, welche das optimierte FEM-Netz darstellen. Dieses Datenformat kann jedoch nicht vollständig in ein CAD-Tool importiert werden, sodass weiterhin ein manuell erzeugtes Design erforderlich ist. Durch diese Restriktionen existieren zurzeit keine weiteren Möglichkeiten zur Automatisierung der Werkzeugentwicklung.
Publications
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Zukunftsweisende Entwicklungen in der Spanenden Fertigung. Zerspanen im Modernen Produktionsprozess, Fachgespräch zwischen Industrie und Hochschule, TU Dortmund Feb. 2008, ISBN: 3-9808718-3-5
Biermann, D.
