Analyse und Vorhersage der Prozessdynamik und Prozessstabilität beim Hochgeschwindigkeitsfräsen

Kalveram, M.

Moderne Fertigungsverfahren wie das Hochgeschwindigkeitsfräsen ermöglichen eine deutliche Erhöhung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit, wodurch eine Steigerung der Produktivität erzielt werden kann. Vielfach wird jedoch der nutzbare Leistungsbereich einer Werkzeugmaschine durch das dynamische Prozessverhalten begrenzt. Zur Gewährleistung einer stabilen, ratterfreien Bearbeitung ist deshalb eine genaue, hinsichtlich der Prozessdynamik optimierte Prozessauslegung eine notwendige Voraussetzung.

Eine geeignete, effiziente Methode zur Ermittlung stabiler Parameterbereiche im Vorfeld der eigentlichen Bearbeitung stellt die theoretische Stabilitätsvorhersage dar. In jüngster Zeit entwickelte, alternative Vorhersagemethoden ermöglichen es, die bei Abnahme der radialen Zustellung zusätzlich neben der Hopf-Bifurkation auftretende Instabilitätsart der Flip-Bifurkation zu berücksichtigen.

In der vorliegenden Forschungsarbeit wird erstmalig die Semi-Diskretisierungsmethode herangezogen, auf den Fräsprozess angewendet und anschließend unter Anwendung unterschiedlicher Frässtrategien und Variation der radialen Zustellung experimentell verifiziert. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit liegt in der experimentellen Bestimmung der Systemkenngrößen, mit dem Ziel, eine hohe Qualität der Stabilitätsvorhersage zu erlangen. Es wird eine Methode entwickelt, die es ermöglicht, die spezifischen Zerspankraftkoeffizienten semi-empirisch für verschiedene Fräsergeometrien zu bestimmen. Die Bestimmung der modalen Parameter erfolgt auf Grundlage von experimentell ermittelten Übertragungsfunktionen des Systems Werkzeug – Spindel – Maschine im Stillstand und bei Betriebsdrehzahlen.

Die Arbeit weist nach, dass die Semi-Diskretisierungsmethode ihre Gültigkeit unabhängig von der radialen Zustellung behält und somit einen allgemein gültigen Charakter zur Vorhersage der Prozessstabilität beim Hochgeschwindigkeitsfräsen aufweist. Weiterhin werden Möglichkeiten aufgezeigt, die Stabilitätsgrenze durch gezielte Veränderungen der Systemparameter so zu modifizieren, dass in einem technologisch oder wirtschaftlich günstigen Prozessfenster eine stabile, ratterfreie Bearbeitung gewährleistet werden kann. Die in der Arbeit vorgestellten Methoden und Ergebnisse zeigen, dass die Berücksichtigung der Prozessdynamik bei der Auslegung eines Bearbeitungsprozesses eine entscheidende Voraussetzung darstellt, um das Leistungspotenzial moderner Werkzeugmaschinen ausnutzen zu können.

Veröffentlicht als

Dissertation Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2005, ISBN 3-8027-8729-3, 978-3-8027-8729-4