Entwicklung einer auf Druckluft basierenden Methode zur Lärmminderung an rotierenden Werkzeugen
Final Report Abstract
Die durchgeführten Untersuchungen folgten dem im Antrag angegebenen Arbeitsplan und umfassten als erstes eine gründliche Recherche der messtechnischen und rechnergestützten Möglichkeiten zur Ermittlung der Strömungsverhältnisse der umgebenden Luft bei rotierenden Systemen wie z.B. Turbinen, Lüfter, Rotoren und spanenden Werkzeugen. Unter Bezugnahme auf die wesentlichen Aspekte am Markt vorhandener Simulationsprogramme wurde eine auf strömungstechnische Anwendungen hin gerichtete Auswahl von Softwaretools zur numerischen Simulation und Visualisierung durchgeführt. Dadurch konnten die spezifischen Luftströmungs- und Akustikparameter numerisch prognostiziert und Strömungsfelder in der Nähe schnell rotierender Werkzeuge visualisiert werden. Mit dem Programm ANSYS CFX folgten strömungsdynamische Simulationen der Luftverhältnisse im Nahbereich schnell rotierender Werkzeuge. Als Zielparameter werden die Geschwindigkeitswerte, turbulente kinetische Energie, Dissipation der kinetischen Energie des Luftfeldes sowie der Druck an der Werkzeugoberfläche betrachtet. Die Visualisierung der Luftströmungen erfolgte mittels mehrerer transienter Computer Fluid Dynamics (CFD)- Simulationen von rotierenden Körpern und Werkzeugen unter Anwendung von ANSYS CFX. Um die kleinen Wirbelströmungen im Raum visualisieren zu können, wurden Shear-Stress-Transportmodelle und Scala-Adaptive-Simulation-Turbulenzmodelle in Betracht gezogen. Die transienten Berechnungen wurden unter Einsatz eines Computer-Clusters am Höchstleistungsrechenzentrum (HLRS) der Universität Stuttgart durchgeführt. Zur Approximation des Strömungsfelds zum akustischen Feld wurde die Turbulenz-Korrelation-Methode eingesetzt. Unter Einsatz des Broadband-Noise-Modells, das als Option in ANSYS FLUENT vorhanden ist, konnten die Ergebnisse der Schallleistung ermittelt werden. Die Ergebnisse der numerischen Untersuchungen bezüglich der Luftströmungen und akustischen Feldern jeweils mit und ohne Luftdüsen gaben die notwendigen Orientierungswerte zum Aufbau des Luftdüsensystems zur Reduzierung der Geräuschemission. Während des Projektablaufs wurden typische Zerspanungswerkzeuge hinsichtlich der Entstehung von turbulenten Luftströmungen analysiert und einige davon experimentell untersucht. Als beispielhafte Repräsentanten wichtiger Werkzeuggruppen wurden massive Hobelmesserköpfe und Kreissägeblätter verwendet. Um die akustischen Parameter und das mögliche Lärmminderungspotenzial der neuen Methode bei diesen Werkzeugen messtechnisch korrekt zu erforschen, wurde ein Rotationsprüfstand mit laufruhigem Spindelantrieb und universeller Werkzeugaufnahme entwickelt und in Betrieb genommen. Der Prüfstand wurde bei den experimentellen Untersuchungen eingesetzt. Zur Durchführung der betriebsbezogenen Versuche wurde eine Fräsmaschine mit Düsensystem ausgerüstet und im Schallmessraum der Klasse 1 des Instituts aufgebaut. Das Luftdüsensystem wurde zur Durchführung von betriebsnahen Untersuchungen bzw. zur Beurteilung der Schallminderungsmethode angepasst und an der Versuchsmaschine angebracht. Dafür wurden ausgewählte Luftdüsen hinsichtlich ihrer Luftstrahlgeschwindigkeit, Blasmuster und Schallemission verwendet. Die durchgeführten experimentellen Untersuchungen zeigen eine deutliche Senkung des Schallpegelparameters LAeq bis zu 8 dB bei der Anwendung von z.B. massiven Hobelwerkzeugen und dem gleichzeitigen Einsatz von zwei Düsen. Es wurde festgestellt, dass sowohl das Leerlauf- und werkstückbedingte Geräusch mit dem entwickelten Düsensystem effektiv bekämpft werden kann. Weiterhin ist es gelungen, die zweckmäßigen Luftdüsenkombinationen für die untersuchten Hobelmesserwerkzeuge zu finden, die bestmöglichen Düsenpositionen für diesen Werkzeugtyp festzustellen sowie eine Definition der minimal benötigten Luftdruckmengen für eine effiziente Schallsenkung zu treffen. Da das Düsensystem effektiv bei geringen Luftdruckwerten eingesetzt werden kann und einen niedrigen Luftverbrauch aufweist, kann die entwickelte Lärmminderungsmethode als wirtschaftlich anerkannt und für eine weitere, breitere industrielle Anwendung – auch bei anderen Maschinen- und Werkzeugtypen – empfohlen werden. Die zusammengefassten Konstruktionsrichtlinien, Einstellungshinweise und der erstellte Werkzeugkatalog geben den Entwicklungsingenieuren ein wirksames Tool an die Hand, möglichst schnell die passenden Luftdüsen auswählen und ein effizientes und flexibles Lärmminderungssystem für jeden Hobel- und Fräsmaschinentyp aufbauen zu können.
Publications
- Analysis of the Flow Field of Rotating Milling Cutters in Idle Mode. In: Tagungsband NAG/DAGA, International Conference on Acoustics, Rotterdam 2009, Volume II, S. 729-730, Deutsche Gesellschaft für Akustik e. V. (DEGA), Berlin, ISBN: 978-3-9808659-6-8
Groß, L.; Heisel, U.
- Lärmminderung an rotierenden Werkzeugen durch Druckluft, IfW News, Ausgabe 5, Stuttgart, 2011
Dobrinski, A.
- Strömungsakustische Simulationen zur Bestimmung der Schallparameter bei rotierenden Werkzeugen. ANSYS Conference & 29. CADFEM User´s Meeting, 19. - 21. Oktober 2011 im ICS Stuttgart, 25 S.
Dobrinski, A., Stehle, T.
- Methode zur Lärmminderung bei schnell rotierenden Werkzeugen mittels Druckluft. In: VDI-Berichte 2170, VDI Verlag GmbH, 2012, Düsseldorf. S. 89-100
Dobrinski, A., Stehle, T.
