Simulation und Analyse regenerativer Werkstückschwingungen bei der NC-Fräsbearbeitung von Freiformflächen

Kersting, P.

Das prozessbedingte Auftreten von Schwingungen des Maschine-Werkzeug-Werkstück-Systems beeinflusst den gesamten Fräsprozess, wobei insbesondere die Qualität der gefertigten Komponenten und die Lebensdauer von Werkzeug und Maschine beeinträchtigt werden können. Insbesondere bei der Fertigung dünnwandiger Strukturen, wie sie zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrtindustrie oder im Werkzeug- und Formenbau vorkommen, spielt die Werkstückdynamik eine besondere Rolle. Eine Vorhersage des dynamischen Verhaltens bereits vor der eigentlichen Fertigung kann genutzt werden, um Prozessparameter zu optimieren und damit Kosten entscheidend zu senken. Allerdings ist die Simulation von Werkstückschwingungen bei der NC-Bearbeitung von Freiformflächen bis heute noch nicht zufriedenstellend möglich.

In der vorliegenden Dissertation werden daher zwei Simulationskonzepte zur Modellierung von Werkstückschwingungen während der Fräsbearbeitung präsentiert. Zur Berechnung von Stabilitätsdiagrammen wird ein oszillatorbasierter Ansatz diskutiert, welcher unter Verwendung gemessener Frequenzantwortfunktionen des Werkstücks das von der Spindeldrehzahl abhängige Verhalten des Bauteils während der Bearbeitung abbilden kann. Der zweite hybride Ansatz stellt eine Kombination aus geometrischer Simulation des Fräsprozesses und einem Finite-Elemente-Modell (FEM) dar. Dabei werden der Materialabtrag und die auftretenden Zerspankräfte innerhalb der Frässimulation bestimmt und die resultierenden Werkstückverschiebungen mittels FE-Methode berechnet. Die Rückkopplung dieser Werkstückverschiebungen in das Modell der Spanungsform stellt den Kernpunkt dieses Simulationssystems dar.

Eine Validierung der Simulation findet anhand realer drei- und fünfachsiger Fräsprozesse statt. Diese Experimente erstrecken sich von Grundlagenuntersuchungen mit einfachen Plattenelementen bis hin zur fünfachsigen Fräsbearbeitung von Turbinenschaufeln. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit den real gefertigten Bauteilen wird anhand von Oberflächenstrukturen, Zeitsignalen und Frequenzspektren durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass die Simulation qualitativ in der Lage ist, sowohl steifigkeitsabhängiges als auch drehzahlabhängiges Prozessverhalten für diese Testwerkstücke vorherzusagen.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2011, ISBN 978-3-8027-8757-7