Untersuchung prozess-dynamischer Effekte bei Stufenbohrern und deren Einflüsse auf die Fertigungsqualität
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt „Untersuchung prozess-dynamischer Effekte bei Stufenbohrern und deren Einflüsse auf die Fertigungsqualität“ umfasst die Durchführung von Zerspanversuchen, die Bestimmung von Nachgiebigkeitsfrequenzgängen und die Erstellung und Verifikation von Finite-Elemente-Modellen (FE-Modellen) der Systeme Werkzeug-Futter-Spindel zur Untersuchung der beim Bohrprozess auftretenden Instabilitäten. Durch Transformation des Kraft- und Momenten-Zeitsignals in den Frequenzbereich konnten Schwingungsfrequenzen im Bohrprozess detektiert werden. Diese ändern sich, je nachdem ob nur die erste Stufe des Werkzeugs, beide Stufen oder nur die zweite Stufe im Eingriff ist. Während der alleinige Eingriff der Stufe 1 keine Instabilitäten zur Folge hat, weist das Frequenzspektrum beim gleichzeitigen oder alleinigen Eingriff der Stufe 2 deutliche Peaks außerhalb der Rotationsfrequenz des Werkzeugs auf. Wie auch an den Oberflächen der erzeugten Stufenbohrungen zu erkennen ist, wirkt hierbei der gleichzeitige Eingriff der Stufe 1 als prozessstabilisierende Abstützung. Anhand von Rattermarken auf den Bohrungsinnenflächen konnte gezeigt werden, dass bei kritischen Drehzahlen und Vorschüben nach Austritt der Stufe 1 der Prozess instabil werden kann. Dies führte bei den durchgeführten Versuchen bis zum Werkzeugbruch. Dass der Eingriff der Stufe 1 sich stabilisierend, der der Stufe 2 destabilisierend auf die Prozessstabilität auswirkt, begründet sich unter anderem auf die unterschiedlichen Spitzenwinkeln und Durchmessern der Stufen. Das Ermitteln der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge der Systeme Werkzeug-Futter-Spindel diente vor allem für die spätere Verifizierung des FE-Modells. Zudem wurde hiermit der Einfluss gyroskopischer Effekte aufgrund der Rotation des Systems auf das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten untersucht. Diese wurden als gering identifiziert, was auch durch die nachfolgend durchgeführte Finite-Elemente-Simulation bestätigt wurde. Projektschwerpunkt war die Erstellung und Verifizierung der FE-Modelle der Werkzeug-Futter-Spindel-Systeme zur Simulation des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens. Um Steifigkeit und Dämpfung der Spindel abzubilden, wurden die Spindellager durch MATRIX27-Elemente modelliert. Es zeigte sich, dass darüber hinaus auch Spindelmassen, die nicht zur Steifigkeit des Systems beitragen, berücksichtigt werden müssen. Dies wurde mittels Punktmassen realisiert. Neben den Systemen mit frei schwingenden und somit nicht im Eingriff befindlicher Bohrer wurden auch Modelle mit drei verschiedenen Eingriff- bzw. Abstützungsvarianten erstellt und untersucht. Ein Abgleich der im experimentellen Versuch ermittelten dominierenden Schwingungsfrequenzen mit den simulativ berechneten, zeigte eine gute Übereinstimmung. Anhand dieser Modelle konnten den messtechnisch erfassten Instabilitäten zur weiteren Untersuchung und Beurteilung die entsprechenden Schwingformen zugeordnet werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Spindelmodell zur dynamischen FEM- Simulation. ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 106 (2011) 4, S. 245- 248
Heisel, U.; Rothmund, J.; Jakob, P.; Böhm, T.
