Prognose der Gestaltabweichungen beim Flankenfräsen nachgiebiger Bauteile unter besonderer Berücksichtigung der Fasengeometrie
Final Report Abstract
Im Rahmen des durchgeführten Projekts wurde erfolgreich eine Abtragssimulation aufgebaut, die kinematische und dynamische Aspekte eines Zerspanprozesses beinhaltet. Durch einen geometrischen Verschnitt von nahezu beliebig geformten Werkzeugen und Werkstücken wird darin ein Fräsprozess nachgebildet. Basierend auf dem überlappenden Volumen werden mit einem hinterlegten Modell die Prozesskräfte berechnet. Mit Hilfe von aus Messungen ermittelten modalen Kennwerten (Masse, Dämpfung, Steifigkeit) wird ebenfalls das werkzeug- und werkstückseitige dynamische Verhalten der Werkzeugmaschine berücksichtigt. Aus dieser Kombination ergibt sich ein geschlossenes System, welches, neben stabilen Prozessschwingungen, auch komplexe dynamische Phänomene, wie das regenerative Rattern, abbilden kann. Darüber hinaus können mit Hilfe des Modells auf Basis der Balkentheorie neben dynamischen Starrkörperbewegungen, auch kontinuierliche Verformungen, wie zum Beispiel bei der Bearbeitung dünnwandiger Bauteile, abgebildet werden. Weiterhin wurde in dem Modell ein Ansatz zur Berücksichtigung der Prozessdämpfung infolge einer Freiflächenfase der Werkzeugschneide umgesetzt. In Abhängigkeit der Fasengeometrie und der Schwingungssituation wird damit eine Prozessdämpfungskraft errechnet und in der Simulation berücksichtigt. Anhand der gemessenen und der simulierten Prozessschwingungen des Werkzeugs in Abhängigkeit der Werkzeugfase, wurde das Modell parametriert und seine Funktionsfähigkeit bestätigt. Mit dem verwendeten Ansatz zeigte sich, dass über dem gesamten Zahneingriff ein Kontakt zwischen der Freiflächenfase und dem Werkstoff vorliegt, dessen Größe jedoch in Abhängigkeit der Schwingungssituation schwankt. Daher wirkt die Prozessdämpfung ebenfalls während des gesamten Schneideneingriffs. Vergleiche zwischen experimentell erzeugten und simulierten Flankenoberflächen zeigten tendenziell eine gute Übereinstimmung und bestätigten den gewählten Ansatz. Es wurde sowohl experimentell als auch simulativ gezeigt, dass infolge eines Kontakts zwischen der Werkzeugfase und dem Material im Zerspanprozess vor allem bei erhöhten Prozessschwingungen eine Dämpfung erfolgt und dadurch die Oberflächenqualität der erzeugten Flanke signifikant verbessert werden kann. Mit zunehmender Fasenlänge traten jedoch in den experimentellen Untersuchungen Verschmierungen auf der Flankenoberfläche auf, die aufgrund der rein kinematischdynamischen Natur des Abtragsmodells nicht berücksichtigt werden konnten und daher zu Abweichungen in den Vergleichen führten. Trotz dessen ermöglichen die erarbeiteten Ergebnisse eine virtuelle Analyse des Zerspanprozesses inklusive Aussagen über Rauheit und Formabweichungen der erzeugten Oberfläche. Nennenswerte Verbesserungen der Oberfläche durch das vermutete Abflachen der Vorschubmarken durch die Fase bei einer ausreichenden Fasenlänge wurden hingegen weder experimentell noch simulativ festgestellt. Die im Projekt aufgebaute und verifizierte Abtragssimulation bietet eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungsmöglichkeiten. Aufgrund der Berücksichtigung vielfältiger Aspekte, eignet sich das Modell sowohl zur statischen als auch dynamischen Auslegung von Zerspanprozessen und Werkzeugen, wobei selbst komplexe dynamische Effekte im Vorfeld betrachtet werden können. Weiterhin ergeben sich mit Hilfe des Modells Möglichkeiten zur Identifizierung unbekannter Materialparameter wie der Zerspankraftkoeffizienten oder der Prozessdämpfungsparameter. Dies kann im Rahmen weiterführender Untersuchungen mit weiteren Werkzeug/Werkstoff Kombinationen durchgeführt und für den Aufbau von Materialdatenbanken verwendet werden. Das wiederum könnte die Planung und Auslegung von Prozessen erheblich vereinfachen. Aufgrund der durch die Werkzeugfase hervorgerufenen Verschmierungen bei der untersuchten Werkzeug-Werkstoff Kombination, sollten weitere Untersuchungen zu den Ursachen dieses Phänomens durchgeführt werden. Weiterhin ist eine Ausdehnung der durchgeführten Arbeiten auf andere Werkstoffe sinnvoll, um zu prüfen in wie weit ähnliche Charakteristiken bei der Verwendung anderer Materialien auftreten.
Publications
- Stable islands in the stability chart of milling processes due to unequal tooth pitch. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 51, S. 152-164, 2011
Sellmeier, V.; Denkena, B.
- Topography prediction of resilient parts after flank milling with chamfered tools. Production Engineering Research and Development, 5, S. 273 – 281, 2011
Denkena, B.; Köhler, J.; Sellmeier, V.; Mörke, T.
