Entkoppelte Oszillatormodelle als effizientes Ersatzsystem zur Bestimmung von Stabilitätsdiagrammen für die NC-Fräsbearbeitung dünnwandiger Bauteile
Final Report Abstract
Bei der Bearbeitung dünnwandiger Bauteile spielt die Prozessdynamik eine wesentliche Rolle. Im Rahmen dieses Projekts ist in der nun abgeschlossenen und vorherigen Förderperiode ein hybrides Simulationssystem entwickelt worden, mit welchem die Modellierung regenerativer Werkstückschwingungen während der NC-Fräsbearbeitung für die untersuchten Bauteile ermöglicht wird. Die Idee besteht in der Kopplung eines geometrischen Prozessmodells zur Beschreibung des Materialabtrags und zur Berechnung der Prozesskräfte mit einem dynamischen Modell zur Berücksichtigung der Werkstückschwingungen. Während in der ersten Phase die Konzeptionierung dieses hybriden Systems und die Berechnung der Werkstückschwingungen mithilfe eines FE-Modells im Vordergrund stand, wurde in der zweiten Phase das Simulationssystem um ein schnelles Ersatzmodell in Form von Oszillatoren ersetzt, um die effizientere Berechnung dreidimensionaler Stabilitätsdiagramme zu ermöglichen. Zur simulativen Ermittlung der benötigten prozesszustandsabhängigen modalen Parameter, welche einmalig zur Initialisierung des dynamischen Modells zu Beginn der Simulation durchgeführt werden muss, wurde eine Schnittstelle zu einer kommerziellen FE-Software implementiert. Die Anwendbarkeit dieses Simulationssystems wurde anhand von Testbauteilen aufgezeigt. Neben der Validierung anhand von einfachen Plattenelementen sind ebenfalls Elemente, welche typischerweise in Strukturbauteilen vorkommen, analysiert worden. Ein Vergleich der simulierten und real erzeugten Oberflächenstrukturen resultierend aus der Schrupp- und Schlichtbearbeitung einer Turbinenschaufel zeigten eine gute Übereinstimmung. Die Möglichkeiten des entwickelten Simulationssystems erzeugen bei Industrieunternehmen großes Interesse, das zu einer Weiterentwicklung dieses Prototypen motiviert. Für die Arbeiten auf dem Gebiet der Modellierung von Werkstückschwingungen ist der Projektbearbeiterin Frau Kersting im Jahr 2011 der Rudolph-Chaudoire-Preis verliehen worden, der ihr internationale Aufenthalte zum Forschungsaustausch ermöglichte.
Publications
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Modeling techniques for the Prediction of Workpiece Deflections in NC Milling. Procedia CIRP, 2 (2012), S. 83-86
Kersting, P.; Biermann, D.
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Modeling workpiece dynamics using sets of decoupled oscillator models. Machining Science and Technology, 16 (2012) 4, S. 564-579
Kersting, P.; Biermann, D.
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Modellierung dynamikbedingter Effekte während der NC- Fräsbearbeitung dünnwandiger Bauteile. In: Spanende Fertigung, 6. Ausgabe, Biermann, D. (Hrsg.), Vulkan Verlag, Essen, 2012, S. 42-50
Kersting, P.
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Oscillator-based approach for modelling process dynamics in NC milling with position- and time-dependent modal parameters. Production Engineering. Research and Development, 7 (2013) 4, S. 417–422
Biermann, D.; Surmann, T.; Kersting, P.
