Gezielte Beeinflussung der Fugensteifigkeit und dämpfung durch Modifikation der Kontaktflächen-Mikrogeometrie an Komponenten aus Vergütungsstahl

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Ihlenfeldt; Professor Dr.-Ing. Andreas Schubert
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik ; Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 528673412

Werkzeugmaschinen zur spanenden Bearbeitung dienen der Herstellung bzw. Endbearbeitung von Bauteilen. Sie unterliegen stetig steigenden Anforderungen, welche u. a. aus der Zunahme des Einsatzes von sowohl hochfesten als auch schwer zerspanbaren Werkstoffen, der Reduzierung der Fertigungszeit durch hohe Geschwindigkeiten oder Zeitspanungsvolumen sowie strengeren konstruktiven Vorgaben hinsichtlich der einzuhaltenden Toleranzen und Rauheitswerte resultieren. Eine besondere Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang der passiven Dämpfung zu. Dazu tragen sogenannte Fugen, d. h. die Kontaktflächen von z. B. mittels Schrauben verbundenen Maschinenelementen, maßgeblich bei. Typischerweise führt eine gute Fugendämpfung jedoch zu einer reduzierten Fugensteifigkeit. Bisherige Untersuchungen auf diesem Gebiet deuten aber darauf hin, dass durch eine geeignete Oberflächenfeingestalt bzw. Mikrostrukturierung eine Kombination von starker Fugendämpfung und hoher Steifigkeit möglich ist. Aktuell fehlen allerdings wesentliche wissenschaftliche Grundlagen zur Auslegung derartiger Oberflächen. Um diese zu erarbeiten, sollen zunächst FEM-Simulationen auf mikroskopischer Skala zur Modellierung der Kontaktbedingungen durchgeführt werden. Auf diese Weise soll ein Verständnis der Mechanismen, welche die Fugendämpfung und Steifigkeit beeinflussen, erlangt werden. Darauf aufbauend werden Oberflächengeometrien definiert und fertigungstechnisch umgesetzt. Die Gestaltung der Oberflächen soll so erfolgen, dass eine Erzeugung unmittelbar bei der spanenden Endbearbeitung möglich wird. Zur Analyse der lastabhängigen Spannungsverteilung in der Fuge kommen Druckmessfolien zum Einsatz. Auf Basis umfangreicher Frequenzganganalysen – sowohl der einzelnen als auch der montierten Probekörper – werden Eigenfrequenzen und Dämpfungsgrade extrahiert. Diese fließen als Zielfunktion in ein parametrisiertes FEM-Modell auf makroskopischer Skala ein und dienen so der pressungsabhängigen Identifikation von Fugendämpfung und Steifigkeit. Im Ergebnis liegen kausale Zusammenhänge zwischen der Oberflächenfeingestalt, der Flächenpressung sowie der Fugendämpfung und Steifigkeit vor. Diese Zusammenhänge ermöglichen die fertigungsgerechte Auslegung von Oberflächen, welche zu einer besonders starken Schwingungsdämpfung bei weitgehendem Erhalt der Fugensteifigkeit führen. Damit kann das Verhalten von Werkzeugmaschinen so verbessert werden, dass sich erhöhte Anforderungen an Bauteile bzgl. Toleranzen und Oberflächeneigenschaften unter Berücksichtigung ökonomischer Randbedingungen realisieren lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen