Numerische Berechnungsverfahren für prozessnahe Strukturen in Zerspanprozessen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Projekts ist die Erforschung der Schnittstelle zwischen Werkzeughalter und Werkzeug unter dynamischer Belastung. Im Fokus stehen dabei Thermoschrumpffutter in Kombination mit Hartmetall-Schaftfräsern, da für diesen Fall aus der Praxis Schadensfälle bekannt sind, bei denen sich das Werkzeug während des Prozesses axial aus dem Spannfutter herausgezogen hat. Im Verlauf des Projektes wurde ein neuartiger Spindelprüfstand aufgebaut und in Betrieb genommen, der es erstmals ermöglicht, während des rotierenden Betriebs mittels Elektromagnete dynamische Lastkollektive auf das System Werkzeug, Thermoschrumpffutter und Spindel aufzubringen. Auf dem Prüfstand wurden verschiedene Thermoschrumpffutter systematisch einer Vielzahl von dynamischen Belastungen ausgesetzt. Zudem wurden Schadensfälle aus der Industrie eingehend untersucht. Die Ergebnisse aus den experimentellen Untersuchungen zeigen, dass im Versagensfall neben der axialen Werkzeugbewegung auch ein Rotieren des Werkzeugschafts im Spannfutter auftritt. Weiterhin lässt sich ableiten, dass nicht allein die Schwingungsamplitude am Werkzeug, sondern vielmehr auch die zugrundeliegende Schwingform und somit die Anregungsfrequenz einen erheblichen Einfluss darauf hat, ob ein Versagensfall eintritt. Aus den Untersuchungen geht hervor, dass sehr wahrscheinlich ein plötzlicher Anstieg des Drehmoments, zunächst ein Durchrutschen des Werkzeugschafts verursacht. Dieser führt dann aufgrund der durch den Drallwinkel verursachten Axialkraft zu einer axialen Bewegung in das Werkstück, wodurch sich schlagartig die Prozesskräfte erhöhen, bis es schließlich zum Werkzeugbruch kommt. Um die strukturmechanischen Verhältnisse in der Kontaktzone zu analysieren, wurde ein transientes Finite-Elemente-Modell (FE-Modell) des Spannfutters und des Werkzeugs in der vom IfAM entwickelten Berechnungssoftware maiprogs erstellt, welches durch eine entsprechende Parametrisierung nahezu beliebige Spannfuttergeometrien abbilden kann. Dieses Modell ermöglicht es z. B., die normalen und tangentialen Spannungen zwischen Werkzeugschaft und Spannfutter unter dynamischer Belastung auszuwerten. Das FE-Modell wurde einerseits mit einem experimentell ermittelten, dynamischen Modell der Spindel gekoppelt, da diese den primären Einfluss auf das Schwingungsverhalten hat. Werkzeugseitig wurde das FE-Modell mit einem Prozesskraftmodell gekoppelt, um die im Zerspanprozess auftretenden Kräfte auf das Werkzeug-Spannfutter-Spindel-System zu ermitteln. Das mathematische Modell ermöglicht die Vorhersage kritischer Spannungen in der Kontaktzone für gegebene Spannfuttergeometrien und Prozessparameter.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2007. A boundary element/ finite element procedure for metal chipping. In 17th International Conference on Computer Methods in Mechanics, 19-22 June, 2007, Łódź-Spała, Poland. Proceedings, K. Dems, Ed. Politechnika Łódzka, Łódź
Stephan, E. P., Geyn, S., Maischak, M., and Andres, M.
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2007. A priori error estimates for hp penalty BEM for contact problems in elasticity. Special Issue Honoring the 80th Birthday of Professor Ivo Babuška. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 196, 37–40, 3871–3880
Chernov, A., Maischak, M., and Stephan, E. P.
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2007. Adaptive BEM for contact problems with friction. In IUTAM Symposium on Computational Methods in Contact Mechanics. Proceedings of the IUTAM Symposium held in Hannover, Germany, November 5-8, 2006, P. Wriggers and U. Nackenhorst, Eds. Springer, Dordrecht, 113–122
Chernov, A. and Stephan, E. P.
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2007. FEM-BEM procedures for elastoplastic, thermo-viscoplastic contact problems. Dissertation, Leibniz Universität Hannover
Geyn, S.
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2008. Numerical computation methods for process-oriented structures in metal chipping. In 1st International Conference on Process Machine Interactions. Proceedings (Hannover, Germany, September 3 - 4, 2008, Leibniz-Universität Hannover, Produktionstechnisches Zentrum). Garbsen, 247–256
Denkena, B., Stephan, E. P., Maischak, M., Heinisch, D., and Andres, M.
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2010. Investigations on Dynamic Tool, Structure and Process Interaction. In 2nd International Conference on Process Machine Interactions, Y. Altintas, Ed., Vancouver, Canada
Denkena, B., Heinisch, D., Krüger, M., Stephan, E. P., Maischak, M., and Andres, M.
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2011. Dual-dual formulations for frictional contact problems in mechanics. Dissertation, Leibniz Universität Hannover
Andres, M.
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2011. Identification of weak spots in the metrological investigation of dynamic machine behaviour. Production Engineering – Research and Development 5, 6, 679–689
Brecher, C., Denkena, B., Grossmann, K., Steinmann, P., Bouabid, A., Heinisch, D., Hermes, R., and Löser, M.
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Numerical Computation Methods for Modeling the Phenomenon of Tool Extraction. noch nicht veröffentlichter Buchbeitrag in Abschlussbuch SPP 1180
Denkena, B., Stephan, E. P., Maischak, M., Möhring, H.C., Heinisch, D., Andres, M.
