Process stability of parallel turning processes
Final Report Abstract
Mit fortschreitender Entwicklung der Drehprozesse wird kontinuierlich nach neuen Verbesserungspotentialen zur Erhöhung der Produktivität gesucht. Ein Ansatz ist die parallele Drehbearbeitung mit zwei Werkzeugen. Im Gegensatz zur einspindligen Drehbearbeitung gab es bisher für die parallele Drehbearbeitung kaum Untersuchungen zum Prozessverhalten. Ziel dieses Projektes war es daher, die relevanten Einflussfaktoren auf die Stabilität paralleler Drehbearbeitungen zu identifizieren, die Prozess-Maschine-Interaktion als Model abzubilden und geeignete Optimierungsstrategien zu entwickeln. Die ermittelten Einflussfaktoren auf die Prozessstabilität gliedern sich in zwei Kategorien. Einerseits besteht die Möglichkeit über eine einfach einzustellende Variation der Drehzahl oder der Winkelstellung der Werkzeuge zueinander einen Einfluss auf das Stabilitätsverhalten zu nehmen. Andererseits hängt die Stabilität maßgeblich von der Maschinendynamik ab, die nur mit sehr großem Aufwand geändert werden kann. Die ermittelten Einflussfaktoren wurden auf einem Prüfstand validiert. Der Prüfstand besitzt die Möglichkeit eine radiale Einstellung der Werkzeuge vorzunehmen, die Werkzeuge miteinander zu koppeln und über eine Änderung der Masse Einfluss auf das Nachgiebigkeitsverhalten zu nehmen. Parallel zum Prüfstand wurden Simulationsmodelle entwickelt, mit denen sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich die Stabilität beliebiger Prozessparametrierungen berechnet werden kann. Dazu wurde der Regelkreis der einspindligen Bearbeitung um ein weiteres Maschinen- und Prozesskraftmodell für das zweite Werkzeug erweitert und die Modelle entsprechend miteinander gekoppelt. Die Ergebnisse aus der Simulation decken sich mit den durchgeführten Experimenten auf dem Prüfstand, sodass die Simulationsmodelle auf die vorhandene Drehmaschine überführt wurden. Da für das Maschinensystem die Lage der Stabilitätsgrenze außerhalb der Leistungsgrenze liegt, wurde in einem iterativen Prozess eine Schwächung der Maschinenstruktur vorgenommen, mit dem die Stabilitätsgrenzen deutlich gesenkt wurden. Das geschwächte Maschinensystem wurde vermessen und als Maschinenmodell in der Simulation hinterlegt. Zur Durchführung von Versuchen mit einer Winkelverstellung musste zudem die Steuerung über ein NC-Unterprogramm erweitert werden, da die Maschine in der grundlegenden Ausführung nur eine Bearbeitung mit gegenüberliegenden Werkzeugen ausführen konnte. Ein Vergleich der Ergebnisse der Prozesssimulation für die Drehmaschine mit den realen Ergebnissen zeigt eine gute Übereinstimmung. Allerdings wurde durch die Schwächung der Maschinenstruktur das Übertragungsverhalten der beiden Meißel zueinander gestört, sodass diese als ungekoppelte Meißel zu betrachten sind. Die ermittelten Prozessoptimierungsstrategien sind abhängig von der ausgeführten Bearbeitung. Für die parallele Bearbeitung mit ungekoppelten Werkzeugen an derselben Zerspanoberfläche bzw. für die parallele Bearbeitung mit gekoppelten Werkzeugen an unterschiedlichen Zerspanoberflächen kann eine Verbesserung des Prozesses durch Änderung der Drehzahl erreicht werden. Eine Änderung der Winkelstellung hat nur einen geringfügigen Einfluss auf die Prozessstabilität. Bei der parallelen Bearbeitung mit gekoppelten Werkzeugen an derselben Zerspanoberfläche hat die Winkelstellung hingegen einen erheblichen Einfluss auf die Stabilität des Prozesses. Durch Änderung der Winkelstellung können deutlich höhere Schnitttiefen bei konstanter Drehzahl erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass die Schnittgeschwindigkeit des Prozesses konstant bleibt.
Publications
- Optimal process parameters for parallel turning operations on shared cutting surfaces. In: International Journal of Machine Tools and Manufacture (2015), 95, ISSN 0890-6955, S. 13-19
Brecher, C.; Epple, A.; Neus, S.; Fey, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2015.05.003) - Optimal Process Parameters for Parallel Turning Operations. In: Proceedings of the 4th International Conference on Virtual Machining Process Technology (VMPT 2015), Vancouver, Canada at the University of British Columbia – June 2nd – 5th, 2015 , Hrsg.: Altintas, Y., University of British Columbia Vancouver/ Canada 2015
Brecher, C.; Epple, A.; Neus, S.; Fey, M.
- Prozessstabilität von parallelen Drehprozessen - Vorhersage effizienter Prozessparameter. In: wt Werkstattstechnik online 106 (2016), 5, ISSN 1436-4980, S. 289-293
Brecher, C.; Epple, A.; Neus, S.; Fey, M.
- Steigerung der Zerspanrate paralleler Drehprozesse. In: ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 111 (2016), 12, ISSN 0947-0085, S. 835-838
Brecher, C.; Epple, A.; Knape, S.
(See online at https://doi.org/10.3139/104.111636)
