Analyse und Simulation der Prozessdynamik und -stabilität beim NC-Mikrofräsen

Baschin, A.

Das spanende Fertigungsverfahren Mikrofräsen besitzt ein hohes Potenzial zur wirtschaftlichen Herstellung von Mikrobauteilen und -komponenten. Die im Bereich der Mikrotechnik gestellten sehr hohen Anforderungen an die Bauteilqualität können jedoch nur erfüllt werden, wenn eine Auslegung von NC-Mikrofräsprozessen unter Berücksichtigung der Prozessdynamik und -stabilität erfolgt, da im Prozess auftretende Werkzeugschwingungen und insbesondere temporäre Ratterschwingungen für unerwünschte Form-, Maßfehler und Rattermarken an der Bauteilkontur verantwortlich sind. Eine simulative Vorhersage und Analyse der Werkzeugtrajektorie entlang der NC-Bahn sowie von Stabilitätskarten stellt einen Ansatz dar, um im Vorfeld eines realen Bearbeitungsprozesses kritische Eingriffssituationen zu identifizieren und anschließend diese durch eine Optimierung der Schnittparameterwerte oder der NC-Bahnen zu vermeiden.

Im Rahmen dieser Dissertation wurde zunächst grundlegend die Einflussnahme von wichtigen Größen wie der Schneidengestalt und dem Werkzeugdurchmesser auf die Prozessstabilität untersucht. Dabei stellten experimentell ermittelte Stabilitätsdiagramme und gemessene Werkzeugtrajektorien die Beurteilungsgrundlage dar. Es konnte gezeigt werden, dass eine zunehmende Verrundung der Schneidkante sowie eine Reduzierung des Werkzeugdurchmessers zu einer Anhebung von Stabilitätsgrenzen führt. Als Ursache dafür sind Prozessdämpfungseffekte anzuführen, die durch eine Analyse der geometrischen Kontaktsituation zwischen dem Schneidkeil und dem Werkstück identifiziert werden konnten.

Des Weiteren ist die realitätsnahe Vorhersage von Stabilitätskarten, der Werkzeugtrajektorie in der Arbeitsebene und der Bauteilqualität hinsichtlich des Oberflächenlagefehlers beim NC-Mikrofräsen mithilfe des am Institut für Spanende Fertigung entwickelten geometrisch-physikalischen Makrofrässimulationssystems NCChip realisiert worden. Die Validierung der Simulationsergebnisse erfolgte anhand von Versuchsergebnissen. Die Berechnungsgrundlage der Prozessdynamik stellt ein gedämpfter harmonischer Oszillator mit drehzahlabhängigen Modalparametern, der als Modell des Maschinenteilsystems Spindel – Spannzange – Werkzeug dient, dar. Die Ermittlung der dynamischen Systemeigenschaften erfolgte experimentell mithilfe eines entwickelten Versuchsaufbaus, der es ermöglicht, die Nachgiebigkeitsfrequenzgänge direkt an den Schneiden der Mikrofräswerkzeuge zu messen.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2012, ISBN 978-3-8027-8773-7