Grundlagenuntersuchungen zur Leistungssteigerung der spanenden Gesteinsbearbeitung mit ultraschallangeregelten Werkzeugen
Final Report Abstract
Mit Hilfe des hybriden Verfahrens der ultraschallunterstützten Bearbeitung konnte bisher bei der Zerspanung verschiedener – hauptsächlich hartspröder – Werkstoffe wie z.B. Keramik oder Glas, Prozessverbesserungen erzielt werden. Im Rahmen des Projekts wurde die Wirksamkeit des Verfahrens bei der Bearbeitung von Naturstein untersucht. Dabei wurde im Rahmend dieses Projektes nachgewiesen, dass Zerspankräfte teilweise um bis zu 80 % reduziert werden konnten. Die Bearbeitungsqualität konnte beim Ausbruchsverhalten signifikant verbessert werden, während sich bei der Oberflächenrauheit keine Veränderungen nachweisen lassen. Der Werkzeugverschleiß verändert sich bei Verwendung von Ultraschall kaum, er verbessert sich tendenziell eher leicht. Die Versuche wurden beim Bohren und Fräsen von 2 Graniten 4 Marmoren und 1 Quarzkomposit durchgeführt und die Kraftreduktion konnte für all diese Werkstoffe prinzipiell bestätigt werden. Wichtig ist die Kenntnis der Ergebnisgrößen in Abhängigkeit verfahrensspezifischer Parameter wie beispielsweise das Geschwindigkeitsverhältnis oder die Eingriffsdauer des Werkzeugs. Die aus der „konventionellen“ Zerspanung bekannten Parameter (wie z.B. Schnittgeschwindigkeit) sind ebenfalls von Bedeutung. Mit Hilfe der verfahrensspezifischen Parameter konnte aufbauend auf Arbeiten anderer Wissenschaftler sowie theoretischer Überlegungen gezeigt werden, dass die dominierenden Effekte, die zur Zerspankraftreduktion führen, auf den beiden Wirkmechanismen des „Mikrohämmerns“ sowie der Reibkraftreduktion beruhen. Ebenso sind das Verständnis des US-Schwingsystems und seine Auslegung von Bedeutung. Hinsichtlich der zerspanungstechnologischen Anforderung ist dabei vor allem das Werkzeug zu betrachten. Es muss sowohl den zerspanungstechnologischen als auch den schwingungstechnischen Anforderungen gerecht werden. In diesem Projekt konnte gezeigt werden, dass aufbauend auf handelsüblichen Gesteinswerkzeugen (Bohrer und Fräser) mit Hilfe einer FEM-Simulation angepasste Werkzeuge entwickelt werden können. Dabei hatte die Simulation eine hinreichende Genauigkeit, um bei zukünftigen Arbeiten das Design damit zu erstellen. Aus dem ersten Arbeitspaket hat sich ergeben, dass ein Axialschwingungserzeuger und ein Torsionsschwingungserzeuger aufgebaut werden sollen. Für die Auslegung der zwei verschiedenen Schwingungserzeuger wurde die Methode der Übertragungsmatrizen, implementiert im Tool BeKS, zur Geometrieoptimierung und die Methode der Finiten Elemente zur Detailauslegung genutzt. Während es für den Axialschwinger relativ große Erfahrung vorlag, stellt der Torsionsschwinger eine Herausforderung dar. Dies beginnt bei einer unzureichenden Verfügbarkeit von geeignet polarisierten piezoelektrischen Elementen, so dass entschieden wurde diesen Herstellungsschritt selbst durchzuführen. Als Referenz konnten geklebte Torsionsringe aus der Laborfertigung der Firma FujiCeramics beschafft werden, wobei die geklebte Struktur Ihre Eignung als Leistungsultraschallwandler einschränkt. Da die Polarisierung weitgehend Neuland für die Projektpartner war haben die ersten Polarisierungen viel Aufwand in Anspruch genommen. Diese Arbeiten werden auch über das Projektende hinaus fortgeführt werden. Hierbei ist erwähnenswert, dass viele Fragestellungen die schon zum Aufbau von Axialwandern beantwortet ist für den Aufbaus von Torsionswandler neu bearbeitet werden müssen. Dies beginnt bei der Verbindungstechnik, die beim Axialwandler üblicherweise durch Schraubverbindungen hergestellt wird und im Torsionsfall ganz anders belastet werden, und geht bis hin zur geeigneten Vorspannung der Piezoelemente, so das nur geringste Zugkräfte innerhalb der Keramik auftreten. Hier ist im Projekt eine erste aber nicht abschließende Variante gefunden worden, die auch aufgebaut wurden und für die Anwendung getestet werden. Einfacher gestaltete sich der Entwurf und Aufbau des Längsschwingungssystems. Hier konnte eine gute Lösung gefunden und aufgebaut werden. Um die beiden Schwingsysteme rotierend in der Werkzeugmaschine einzusetzen ist weiterhin eine Energieübertragung entworfen worden. Hier kommen mit Hinblick auf das gewählte Ansteuerkonzept Schleifkontakte zum Einsatz, die trotz des größeren Rauschanteils weniger Rückwirkung auf das System haben als induktive Übertrager, die Aufgrund der Induktivitäten das Systemverhalten ändern. Für die genutzte Werkzeugmaschine in Hannover ist ein Aufbau entworfen worden, in dem die Schleifkontakte leicht gegen Spulen getauscht werden können, und so ggf. auch intensiv untersucht werden können. Für die Maschine in Stuttgart ist ein sehr universelle und Maschienenunabhängige Schleifkontaktübertragung entworfen worden. Für den Betrieb der Schwingsysteme wurde eine Schaltung zur Selbsterregung der Ultraschallwandler aufgebaut. Der selbsterregte Betrieb hat den Vorteil, dass das System immer wenn es schwingt in einer Resonanz schwingt und auch robust gegen nichtlineare Prozesse, wie beispielsweise Kontaktvorgänge, ist. Um das System dauerhaft bei einer ausreichenden Amplitude zu betreiben, ist außerdem eine Stromamplitudenregelung als PI Regler auf einem dSpace System implementiert und in Betrieb genommen worden. In den bisherigen Arbeiten im Rahmen des Projekts konnte gezeigt werden, dass der Gesteinsbearbeitungsprozess durch den Einsatz von Ultraschall signifikant verbessert werden kann. Es wurden z.B. sehr deutliche (Zerspan-)Kraftreduktionen bis zu 80 % erreicht. Hierzu wurde die notwendige Anpassung der Gesteinsbearbeitungswerkzeuge an die schwingungstechnologischen Anforderungen sowie die Auslegung des Ultraschallsystems für diese Art der Bearbeitung durchgeführt. Der sich derzeit in der Entwicklung befindliche Torsionsschwinger erlaubt eine neue Form der Ultraschalleinbringung in den Bearbeitungsprozess und kann das Feld der ultraschallunterstützten Bearbeitung, nicht nur bei Gestein, um eine neue Anregungsform erweitern.
Publications
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Comparsion of Longitudinal and Torsional Transducer Design Based on Transfer Matrix Method. Jahrestagung der Gesellschaft für Angewandte Mathematik und Mechanik, Karlsruhe (2010)
Huang, M.; Twiefel, J.; Wallaschek, J.
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Kleine Bewegungen ganz groß. In: Naturstein, Heft 08/10 (2010), S. 64-65. Ulm: Ebner Verlag GmbH & Co. KG
Gerlach, D.; Heisel, U.; Eber, R.
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Model-based Principle Investigation on Polarisation Strategies for Piezoelectric Ring-Elements with Circumferential Polarization. International Workshop on Piezoelectric Materials and Applications, Antalya (2010)
Huang, M.; Twiefel, J.; Wallaschek, J.
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Torsional Transducer Design for Ultrasonic Assisted Milling of Stones. The 17th International Congress on Sound & Vibration (ICSV17); Cairo, Egypt (2010)
Huang, M.; Twiefel, J.; Wallaschek, J.; Eber, R.; Eisseler, R.; Heisel, U.
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Ultraschallbohren von Gestein. wt Werkstattstechnik online 100 (2010), H.1/2, S. 74-80. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag
Heisel, U.; Eber, R.
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Kinematic model for ultrasonic-assisted manufacturing of bore holes with undefined cutting edges. 13th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations; Sintra, Portugal (May 12-13, 2011). In: Advanced Materials Research - Modelling of Machining Operations, Jg. 223 (2011), S. 794– 803
Heisel, U.; Eber, R.; Wallaschek, J.; Twiefel, J.
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Ultrasonic-assisted machining of stone. In: Production Engineering (2011)
Heisel, U.; Eisseler, R.; Eber, R.; Wallaschek, J.; Twiefel, J.; Huang, M.
