Grundlagenuntersuchung zur Reduktion des Regenerativeffekts durch eine gezielte simulationsgestützte Auslegung der Schneidenmakrogestalt zur lokalen Anpassung der Prozesskräfte an die Nachgiebigkeit von Fräswerkzeugen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 548387008

Dynamische Effekte, wie das Auftreten von Werkzeug- und Werkstückschwingungen, reduzieren die erreichbare Qualität spanend bearbeiteter Werkstücke oder begrenzen die Leistungsfähigkeit der Prozesse. Insbesondere selbsterregte bzw. regenerative Ratterschwingungen, können zu Ausschussteilen und erhöhtem Werkzeugverschleiß oder Werkzeugbruch führen. Fräsprozesse werden aufgrund der Prozesskinematik, welche auf unterbrochenen Schnitten der einzelnen Werkzeugschneiden beruht, besonders von Ratterschwingungen beeinträchtigt. Eine Möglichkeit zur Vermeidung des Regenerativeffekts ist eine Reduktion der Anregungsamplituden, beispielsweise durch eine zeitliche Verteilung der Werkzeuglast, welche durch eine Anpassung des Helixwinkels realisiert werden kann. Durch eine Prozessauslegung mit einer optimierten axialen Zustellung, bei der immer genau ein Zahn im Eingriff ist, kann eine Kraftanregung des Systems durch den unterbrochenen Schnitt vermieden werden. Hierdurch erfolgt allerdings keine Anpassung der Prozesskräfte an die lokale dynamische Nachgiebigkeit des Fräswerkzeugs, welche entlang der Werkzeugachse variiert. Eine solche konstante, optimierte Zustellung kann weiterhin nicht bei allen Werkstücken und Bearbeitungsschritten eingestellt werden. In der hier vorgestellten Projektinitiative soll daher eine Optimierung der makroskopischen Werkzeuggestalt mit Hilfe eines entlang der Schneidkante variierten Helixwinkels untersucht werden. Die Werkzeugmodifikation zielt darauf ab, durch eine örtlich differenzierte Anpassung des Helixwinkels, die Wirkrichtung und Amplitude der Prozesskräfte unter dynamischen Gesichtspunkten prozessoptimierend zu beeinflussen. Zur Steigerung der Prozessstabilität wird der senkrecht zur Werkzeugachse wirkende Anteil der Aktivkraft entsprechend der entlang des Werkzeugs veränderlichen dynamischen Nachgiebigkeit angepasst. Befindet sich also ein Schneidenabschnitt an der Werkzeugspitze im Eingriff, sorgt der große lokale Helixwinkel für eine deutliche zeitliche Verteilung der Last am Werkzeug und damit geringere Kraftamplituden. Hierzu sollen die Wirkzusammenhänge zwischen der aus dem unterbrochenen Schnitt hervorgehenden Kraftmodulation, der lokalen Nachgiebigkeit des Werkzeugs und der Auslenkung und Anregung von Fräswerkzeugen untersucht werden. Für die Untersuchung der Wirkungsweise verschiedener Werkzeuggestalten und eine optimierte Auslegung des lokal variierten Drallwinkels sollen geometrisch-physikalische Modelle zur Prozesssimulation angewendet werden. Durch die Werkzeugmodifikation und eine entsprechend angepasste Prozessauslegung wird eine möglichst quasi-statische Auslenkung des Werkzeugs angestrebt. Dies kann bei der NC-Bahnplanung berücksichtigt und kompensiert werden, um die Qualität der Werkstücke und Produktivität der Prozesse zu verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen