Ultrasonic air bearing spindle for micromachining
Final Report Abstract
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung einer luftgelagerten Spindel zur Erforschung des Einflusses schwingungsangeregter Zerspanung auf die Prozess- und Prozessergebnisgrößen der Mikrobearbeitung. Hierzu wurden unterschiedliche Konzepte der Anregung und deren Umsetzung bewertet und simulativ dimensioniert. Die Anregung des Werkzeugs der Luftlagerspindel wurde durch magnetostriktives Material, welches durch magnetfeldgesteuerte Längenänderung eine Auslenkung der Werkzeugaufnahme verursachte, umgesetzt. Die Werkzeugaufnahme der Luftlagerspindel erfolgte thermisch, die Auslenkung in axialer Richtung wurde durch ein Festkörpergelenk ermöglicht. Die Ansteuerung der Werkzeugschwingung erfolgte unter Verwendung einer elektrischen Spule, welche durch Beaufschlagen eines Wechselstroms ein sich änderndes Magnetfeld erzeugte. Zum Abtransport der durch die Spule erzeugten Wärme wurde ein Kühlsystem in die Spindel integriert, dessen Versorgungsdruck sowie Auslassdurchmesser simulativ dimensioniert wurden. Weiter wurden unterschiedliche Varianten der Werkzeugaufnahme bzw. des Festkörpergelenks mittels FEM-Berechnungen analysiert, um die Eignung zur Schwingungsanregung in Hinblick auf die maximal erreichbare Frequenz zu bewerten. Die Funktion der Schwingungsanregung wurde erfolgreich an einem Funktionsprototypen validiert. Die Antriebsleistung, welche zum Erreichen der vorgesehenen Betriebsdrehzahl von > 100.000 U/min zwingend erforderlich ist, wurde mit Hilfe mehrerer Strömungssimulationen, die auch die Winkellage zwischen Antriebsturbine und Anströmung berücksichtigten, errechnet. Kritische Drehzahlen, die aus der Anregung von Eigenfrequenzen aufgrund der Restunwucht des Rotors entstehen, wurden analytisch ermittelt. Trotz genauer Kenntnis dieser kritischen Drehzahlen kam es beim Einsatz der Spindel zu einem irreparablen Lagerschaden, weshalb zur Untersuchung des Einflusses der Schwingungsunterstützung auf die Mikrobearbeitung ein weiteres Konzept erarbeitet wurde, bei dem das Werkstück mit einer Schwingung beaufschlagt wurde. Die Werkstückschwingung dieses Systems wurde durch die Längenänderung eines Piezo- Aktors erzeugt, welche mittels Festkörpergelenk auf den Werkstückhalter bzw. das Werkstück übertragen wurde. Die maximale Schwingungsamplitude wurde mit Hilfe von FEM-Berechnungen der Steifigkeit des Systems ermittelt. Die Eigenfrequenzen des Systems wurden durch eine Modalanalyse errechnet und deren Schwingungsform analysiert. Es wurde eine schwingungsverstärkende Eigenfrequenz im vorgesehenen Anwendungsbereich detektiert und validiert. Als Betriebsfrequenz wurde aufgrund der am stärksten ausgeprägten Werkstückschwingung die erste Oberschwingung der ermittelten Eigenfrequenz festgelegt. Im Rahmen des Projektes konnten richtungsabhängige Wirkzusammenhänge zwischen Schwingungsunterstützung, spezifischer Zerspankraft und Rauheit festgestellt werden. Der Einsatz der Schwingungsunterstützung führte zu einer Reduktion der Zerspankräfte um 63 % beim Mikrofräsen mit Vorschubrichtung in Schwingungsrichtung bzw. 41 % beim Mikrofräsen senkrecht zur Schwingungsrichtung. Der Rückgang der spezifischen Zerspankräfte wurde auf die geringere Zeit im Eingriff des Werkzeugs aufgrund des schwingungsbedingten diskontinuierlichen Werkzeugeingriffs zurückgeführt. Das Verhältnis der Vorschubrichtung in Relation zur Schwingungsrichtung beeinflusste ebenfalls die erzeugte Oberflächenrauheit. Aufgrund der Überlagerung der Vorschub- und Schwingungsbewegung führte die Schwingungsanregung zu einer Erhöhung der Spanungsdicke (Vorschubrichtung in Schwingungsrichtung) bzw. Reduktion dieser (Vorschubrichtung senkrecht zu Schwingungsrichtung). Somit kann bei geeigneter Wahl der Schwingungsrichtung eine Reduktion des Ploughing-Effekts und folglich eine Steigerung der erzeugten Oberflächenqualität erzielt werden. Mit den im Forschungsprojekt erzielten Ergebnisse können die Reduktion der Oberflächenrauheit und der Zerspankräfte beim Mikrofräsen erreicht werden. Allerdings besteht weiterer Forschungsbedarf, um gegebenenfalls Einflüsse auf weitere Prozess- und Prozessergebnisgrößen wie bspw. den auftretenden Werkzeugverschleiß genauer zu analysieren. Die Gesamtheit aller Einflüsse der schwingungsunterstützten Mikrobearbeitung könnten zur Erweiterung des bearbeitbaren Werkstoffspektrums, der Steigerung der Standzeit von Mikrowerkzeugen und der Oberflächenqualität mikrobearbeiteter Strukturen beitragen und die Schwingungsunterstützung als solche als Erweiterung bisheriger Mikrobearbeitungsprozesse etablieren.
Publications
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