Numerische Berechnungsverfahren für prozessnahe Strukturen in Zerspanprozessen
Final Report Abstract
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.
Publications
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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.
