Simulation und Optimierung der doppelspindligen Fräsbearbeitung

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2009 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 153953905

Zur Steigerung der Bearbeitungskapazität bei geringer zusätzlicher Stellfläche und Investkosten, werden in der spanenden Produktion vielfach mehrspindlige Bearbeitungszentren eingesetzt. Wegen der im mehrspindligen Fräsprozess zusätzlich entstehenden Wechselwirkungen zwischen den Spindeln ist die Prozessstabilität gegen Schwingungserscheinungen in der industriellen Praxis jedoch häufig wesentlich geringer als bei der einspindligen Bearbeitung. Die theoretisch höhere Produktivität der Maschine kann nicht genutzt werden, wodurch die Maschine unwirtschaftlich arbeitet. Während die grundsätzlichen Mechanismen des für instabile Prozesse verantwortlichen Regenerativeffektes bekannt sind, waren die im Mehrspindler zusätzlich auftretenden Wechselwirkungen bisher weder Gegenstand nationaler noch internationaler Forschungsarbeiten. Die Wechselwirkungen zwischen der Maschine und den Prozessen, aber auch die Beeinflussung der Prozesse untereinander, sind nach dem Stand der Forschung weitgehend unbekannt. Ziel dieses Vorhabens ist daher die systematische Untersuchung dieser Wechselwirkungen am Beispiel einer doppelspindligen Fräsbearbeitung. Auf dieser Grundlage eingehender Systemuntersuchungen erfolgt die Entwicklung eines Simulationsmodells, welches die für diese Bearbeitungsart spezifischen Interaktionen berücksichtigt. Somit steht nach Projektende ein Werkzeug zur Verfügung, das eine effiziente Prozessplanung und -optimierung ermöglicht, wodurch eine effiziente Nutzung mehrspindliger Maschinen in der industriellen Praxis unterstütz wird. I m Rahmen der ersten Projektephase soll zunächst ein doppelspindliges Bearbeitungszentrum (Chiron DZ 12 K W) messtechnisch untersucht werden. Neben konventioneller messtechnischer Untersuchungen in Form von Nachgiebigkeitsmessungen und Modalanalysen erfolgt im Rahmen des Projektes zusätzlich eine Untersuchung des dynamischen Systemverhaltens durch eine mehrquellige Anregung, wodurch eine eingehende Analyse der auftretenden Wechselwirkungen bei der mehrspindligen Bearbeitung erfolgen kann. Zusätzlich zu den messtechnischen Untersuchungen wird im Rahmen des Projektes eine virtuelle Analyse mittels flexibler Mehrkörpermodelle genützt, um ein eingehendes Verständnis der für mehrspindlige Fräszentren spezifischen Zusammenhänge zu gewinnen. Dieses Modell kann in der geplanten zweiten Projektphase ebenfalls zur Bewertung möglicher Verbessungsmaßnahmen genutzt werden. Auf dieser Basis wird ein Modell der doppelspindligen Fräsbearbeitung inklusive aller relevanten Wechselwirkungen zwischen Maschine und Zerspanungsprozess sowie zwischen den Prozessen selbst entwickelt. Ein solches Modell erlaubt die Simulation des Fräsprozesses im Zeitbereich und somit die Beurteilung der Prozessstabilität unter Berücksichtigung nichtlinearer Effekte. Das anhand der so erstellten Modelle simulierte dynamische Prozessverhalten wird mittels umfassender Zerspanversuche an dem zweispindligen Bearbeitungszentrum verifiziert.

• DFG Programme: Research Grants