Dämpfungseigenschaften additiv gefertigter Plattenhalter – virtuelle Prozesse

Innovative Werkzeug- und Prozessentwicklungen mit Tiefgang

Anzeige
Am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der TU Dortmund werden seit mehr als vier Jahrzehnten Lösungen zu aktuellen Problemstellungen in der Zerspanung sowie in deren informationstechnischem Umfeld erarbeitet. Neben der Entwicklung innovativer Konzepte zur Schwingungsdämpfung und zur verbesserten Zufuhr von Kühlschmierstoff (KSS) wird in diesem Beitrag die Durchführung von virtuellen Zerspanprozessen, basierend auf verschiedenen Modellierungskonzepten, fokussiert.

In der spanenden Fertigung stellen Schwingungen im System, bestehend aus Spindel, Werkzeugaufnahme und Werkzeug, ein zentrales Problem dar und sind mit einer direkten Einflussnahme auf die Fertigungsqualität sowie die Werkzeug- und Maschinenstandzeit verbunden.

Hierbei wird im Allgemeinen zwischen selbsterregten und fremderregten Schwingungen unterschieden [1].

Letztgenannte sind häufig dann zu verzeichnen, wenn der Werkstoff bei der Zerspanung eine ausgeprägte Scherspanbildung aufweist. Bedingt durch das periodische Aufstauen und Abgleiten der einzelnen Spansegmente in der Wirkzone, kann das Werkzeug je nach gegebenen Randbedingungen erheblich in Schwingung versetzt werden [2].

Eine Reduktion derartiger, spanbildungsinduzierter Schwingungen ist durch Verwendung dämpfender Werkzeugsysteme möglich [1, 2]. Beispielsweise kann durch den Einsatz von Sensoren und Aktoren (aktive Dämpfung) oder durch einfache, konstruktive Werkzeugmodifikationen (passive Dämpfung), die eine Dissipation der Schwingungsenergie oder ein Verschieben der Werkzeugeigenfrequenz bewirken, eine gesteigerte Prozessstabilität erzielt werden [1, 2, 3].

Additiv gefertigte Wendeschneidplattenhalter

Als Alternative zu den konventionellen Dämpfungssystemen werden im Rahmen eines Forschungsprojekts am ISF die Dämpfungseigenschaften additiv gefertigter Wendeschneidplattenhalter (WSPH) für die Drehbearbeitung untersucht.

Der durch den additiven Herstellungsprozess (SLM-Verfahren) realisierte, schichtweise Halteraufbau ermöglicht die Gestaltung komplexer Hohlstrukturen im Werkzeugschaft, die zur Dämpfungssteigerung mit Partikelwerkstoffen flexibel befüllt werden können [3]. Dabei ist das Dissipationsvermögen des WSPH einerseits konstruktionsabhängig, andererseits korreliert die Schwingungsdämpfung mit dem E-Modul, der Dichte, der Größe und der Schüttdichte der Füllwerkstoffe [3, 4].

Positive Versuche

Aktuelle Untersuchungen zur Drehbearbeitung eines zu einer ausgeprägten Scherspanbildung neigenden, höherfesten, bainitischen Stahlwerkstoffs (Handelsname HSX 130) mit einer Zugfestigkeit von bis zu Rm, max = 1400 N/mm2 und einer Härte von ca. 42 HRC [5] haben gezeigt, dass ein WSPH mit ellipsoidem Hohlkörper, einer zusätzlichen Stützstruktur aus mehreren Oktaederstumpfelementen sowie einer Befüllung mit Keramikpartikeln eine signifikante Dämpfung spanbildungsinduzierter Werkzeugschwingungen bewirkt.

Für die Versuchsdurchführung wurden dieser Werkzeughalter sowie die Referenz (PCLNL2020K12JETL) mit einer Ausspannlänge von lA = 75 mm in die VDI-40-Aufnahme der Drehmaschine eingespannt.

Die Detektion der Werkzeugschwingungen erfolgte mithilfe zweier, in Schnitt- und Vorschubrichtung auf den Plattensitz geklebter Beschleunigungssensoren. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 zusammengefasst.

Verringerte Werkzeugschwingungen

Bei Betrachtung der Beschleunigungssignale der Referenz zeigt sich, dass die gewählten Schnittparameter als kritisch zu bewerten sind (Abbildung 1, oben). Sowohl in Schnitt- als auch in Vorschubrichtung sind erhebliche Werkzeugschwingungen erkennbar.

Durch den additiven, keramikgefüllten Werkzeugaufbau konnten diese wesentlich verringert werden. Anhand der dargestellten Beschleunigungsamplituden ist festzustellen, dass dabei über einen relativ großen Frequenzbereich eine deutliche Schwingungsdämpfung erfolgt (Abbildung 1, Mitte). Während der modifizierte WSPH bis etwa f = 10 kHz, verglichen mit der Referenz, bereits signifikant reduzierte Amplitudenspitzen aufweist, zeigen sich oberhalb dieser Frequenz darüber hinaus keine ausgeprägten Peaks. Daraus resultierend ergeben sich gravierende Qualitätsunterschiede bei den gedrehten Werkstückoberflächen (Abbildung 1, unten).

Kühlkanalanordnung beim Gewindebohren

Innengewinde werden in der Regel durch das Gewindebohren hergestellt, da dieses Verfahren im Gegensatz zum Gewindedrehen, -strehlen, -schneiden, -wirbeln oder -fräsen einfacher und wirtschaftlicher ist [6]. Zur Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen erfolgt die Zuführung des KSS über Kühlkanäle, die direkt im Inneren des Werkzeugs angebracht sind. Da eine Untersuchung bezüglich des KSS-Strömungsverhaltens experimentell wegen der Unzugänglichkeiten beim Gewindebohren und eine darauf basierende Verbesserung kaum möglich ist, wird in Abhängigkeit von der Innenkühlkanalanordnung eine Computational-Fluid-Dynamics-Simulation (CFD) durchgeführt [7].

Die Erstellung des Fluidmodells ist sehr anspruchsvoll. Um eine hohe Ergebnisgenauigkeit bei der numerischen Berechnung des Strömungsgebiets zu erzielen, werden die Berührungsschnittstellen zwischen Fest- und Fluidkörper und die Randbedingungen definiert sowie eine akkurate feine Vernetzung erstellt und das sich bereits bewährte k-ω-SST-Turbulenzmodell gewählt [8, 9].

1320 Bohrungen zusätzlich

Nach der Berechnung des Standardwerkzeugs erfolgte entsprechend auf dem Ergebnis eine Modifizierung der Innenkühlkanalanordnung. Abbildung 2 zeigt, dass der KSS beim Standardwerkzeug die Schneiden kaum erreicht. Die Fluid-Druckverteilung in allen drei Spannuten und in Strömungsrichtung verdeutlicht anhand der Diagramme, dass durch die Modifizierung der KSS gezielt an die Werkzeugschneiden geführt wird.

Die Validierung der Simulationsergebnisse erfolgte durch experimentelle Bohrversuche und der Gegenüberstellung der jeweiligen Verschleißbilder des Freiflächenverschleißes und der Oberflächenqualität des Bauteils [10].

Mit dem modifizierten Werkzeug konnten gegenüber dem Standardwerkzeug 1320 Bohrungen zusätzlich geschnitten werden, was einer gesteigerten Werkzeugverbesserung von beachtlichen 36 % entspricht. Entsprechend der durchgeführten Analyse kann für die Lebensdauer des modifizierten Werkzeugs sogar die doppelte Leistungsfähigkeit gegenüber dem Standardwerkzeug prognostiziert und das große Potenzial zur Werkzeugoptimierung verdeutlicht werden (Abbildung 3).

Simulation und Prozessoptimierung

Bei der spanenden Bearbeitung wirken sich generell alle beteiligten Elemente des Fertigungsprozesses, d.h. Maschine, Werkzeug, Werkstück, Vorrichtung und Kühlschmierstoff auf die Produktivität und die resultierende Werkstückqualität aus. Es können deshalb viele Effekte auftreten, die dazu führen, dass die geforderten Bauteile nicht in der gewünschten Qualität und/oder Zeit gefertigt werden können [11].

Beispielsweise begrenzen zu hohe Prozesskräfte auftretende Schwingungen oder ein zu hoher Wärmeeintrag in das Bauteil die Erhöhung von Schnittparametern. Um sicher die geforderte Werkstückqualität einzuhalten, werden häufig moderate Prozessparameter verwendet, was dazu führt, dass das Potenzial der Fertigungsprozesse nicht ausgenutzt wird.

Nur durch ein tiefgehendes Prozessverständnis auf Basis einer detaillierten Prozessanalyse ist eine zielgerichtete Steigerung der Produktivität bei gleichzeitiger Sicherstellung der geforderten Qualität möglich. Mit entsprechender Sensorik lassen sich geeignete Messdaten erfassen, wodurch ein „digitaler Schatten“ des Prozesses erzeugt wird [12], um während des Prozesses erforderliche Anpassungen vorzunehmen.

Um bereits vor der eigentlichen Fertigung eine optimierte Prozessauslegung zu realisieren, sind geeignete Prozesssimulationen erforderlich, die einen „digitalen Zwilling“ bilden [12], um das komplexe Zusammenwirken der beteiligten Elemente des Fertigungsprozesses virtuell zu analysieren und damit eine wichtige Basis für die Auslegung des Prozesses darzustellen [13].

Virtuelles Kompetenzzentrum

Aktuell wird im Rahmen einer interdisziplinären Kooperation innerhalb der Universitätsallianz Ruhr (Technische Universität Dortmund, Ruhr-Universität Bochum und Universität Duisburg-Essen) ein virtuelles Kompetenzzentrum „Virtual Machining“ unter der Leitung von Prof. Petra Wiederkehr aufgebaut, welches die Entwicklungen im Bereich der Prozesssimulationen, der simulationsgestützten Prozessauslegung und der Online-Anpassung direkt an der Werkzeugmaschine vorantreiben soll (Abbildung 4) [14].

Hierbei werden geeignete Lösungen zur Simulation unterschiedlicher Fertigungsprozesse entwickelt und zur Anwendung gebracht, wie beispielsweise die NC-Fräsbearbeitung [13] sowie das NC-Schleifen oder das Honen [15].

Big Data und Machine Learning

Von zentraler Bedeutung für die Simulation der Prozesse ist die Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück, da hier die spätere Bauteiloberfläche erzeugt wird. Sehr wichtig ist es, das Verhalten aller relevanten Komponenten, die an dem Fertigungsprozess beteiligt sind, zum einen ausreichend genau und zum anderen aber auch so zu modellieren, dass effiziente Simulationen zu möglichst kurzen Rechenzeiten auf einem Computer führen.

Zur Kopplung der Simulationen mit online an der Maschine ermittelten Sensordaten zur Optimierung der Bearbeitung, direkt an der Werkzeugmaschine, werden darüber hinaus Methoden aus dem Bereich der Analyse großer Datenmengen und des Machine Learning [16] benötigt.

Danksagung

Ein besonderer Dank gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Finanzierung des Projektes „Schwingungsreduzierung bei der Dreh- und Fräsbearbeitung von Leichtbaumaterialien durch den Einsatz strahlgeschmolzener Werkzeugaufnahmen“ (DFG BI 498/77).

Das ISF dankt außerdem der Schumacher Precision Tools GmbH in Remscheid für die erfolgte Unterstützung im Forschungsprojekt und die industrielle Forschungskooperation. Des Weiteren richtet sich ein großer Dank an die Stiftung Mercator und das Mercator Research Center Ruhr für die Aufbauförderung des virtuellen Kompetenzzentrums „Virtual Machining“ an der TU Dortmund in der „Universitätsallianz Ruhr“ (UA Ruhr).

Institut für Spanende Fertigung (ISF) an der TU Dortmund
www.isf.de


Der Autor

Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann, Leiter des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) der TU Dortmund.


Literatur

[1] Siddhpura, M; Paurobally; R.: A review of chatter vibration research in turning. International Journal of Machine Tools & Manufacture, Volume 61 (2012); S. 27–47

[2] Machai, C.: Grundlagenuntersuchung zur Zerspanung von β-Titanlegierungen unterschiedlicher Mikrostruktur. Dissertation, Institut für Spanende Fertigung; Technische Universität Dortmund (2012)

[3] Vogel, F.; Özkaya, E.; Biermann, D.: Additiver Werkzeugaufbau zur Dämpfung von Prozessschwingungen. VDI-Z – Integrierte Produktion, Ausgabe 160 (2018), Nr. 1/2; S. 42–45

[4] Yanagida, T.; Matchett, A. J.; Coulthard, J. M.: Damping and elastic properties of binary powder mixtures. Powder Technology, Volume 127 (2002); S. 107–115

[5] Steeltec AG: Datenblatt HSX 130. URL: http://www.steeltec.ch/fileadmin/files/steeltec.ch/datasheet/ste_DB_HSX_rgb_DE.pdf/, Stand: 22.01.2019

[6] Spur, G.; Stöferle, T.:Handbuch der Fertigungstechnik. Band 3 / 2. Spanen, Carl Hanser Verlag (1980), ISBN 3446126481

[7] Biermann, D.; Oezkaya, E.: CFD simulation for internal coolant channel design of tapping tools to reduce tool wear. 66 CIRP Annals (2016), pp. 109–112

[8] Beer, N.; Özkaya, E.; Biermann, D.: Drilling of Inconel 718 with Geometry-modified Twist Drills. 24 Procedia CIRP (2014), pp. 49–55

[9] Oezkaya, E.; Beer, N.; Biermann, D.: Experimental studies and CFD simulation of the internal cooling conditions when drilling Inconel 718. 108 International Journal of Machine Tools and Manufacture (2016), pp. 52–56

[10] Oezkaya, E.: FEM-basiertes Softwaresystem für die effiziente 3D-Gewindebohrsimulation und Werkzeugoptimierung. Vulkan-Verlag (2016)

[11] Y. Altintas, P. Kersting, D. Biermann,
E. Budak, B. Denkena, I. Lazoglu: Virtual process systems for part machining operations. CIRP Annals – Manufacturing Technology, 63 (2014) 2, S. 585–605

[12] T. Bauernhansel, J. Krüger, G. Reinhart, G. Schuh: WGP-Standpunkt Industrie 4.0. Carl Hanser Verlag (2017)

[13] P. Wiederkehr, T. Siebrecht, J. Baumann: Virtual Machining – Potentiale und Herausforderungen von Prozesssimulationen für Industrie 4.0. In: Wissenschaftsforum – Intelligente Technische Systeme (WInTeSys) 2017, E. Bodden, F. Dresslr, R. Dumitrescu, J. Gausemeier, F. Meyer auf der Heide, C. Scheytt, A. Trächtler (Hrsg.), Verlagsschriftenreihe des Heinz Nixdorf Instituts, 369 (2017), S. 269–279

[14] P. Wiederkehr: Kompetenzzentrum „Virtual Machining“: Simulation und Optimierung spanender Fertigungsprozesse. VDI-Z Integrierte Produktion, 11 (2018), S. 50–51

[15] P. Wiederkehr, T. Siebrecht, N. Potthoff: Stochastic modeling of grain wear in geometric physically-based grinding simulations. CIRP Annals – Manufacturing Technology 67 (2018), Nr. 1, S. 325–328

[16] A. Saadallah, F. Finkeldey, K. Morik, P. Wiederkehr: Stability prediction in milling processes using a simulation-based Machine Learning approach. Procedia CIRP, 72 (2018), S. 1493–1498

Anzeige

Aktuelle Ausgabe

Newsletter

Unsere Dosis Wissensvorsprung für Sie. Jetzt kostenlos abonnieren!

EMO 2019 – industrie 4.0 area

Bereits zum 2. Mal realisiert die mav, gemeinsam mit dem VDW, die industrie 4.0 area auf der EMO in Hannover. Werden auch Sie Teil dieses Gemeinschaftsprojekts und präsentieren Sie Ihre Lösungen im Bereich Digitalisierung!

Neue Fachzeitschrift additive

Trends

Aktuelle Entwicklungen in der spanenden Fertigung

Alle Webinare & Webcasts

Hier finden sie alle Webinare unserer Industrieseiten

Alle Whitepaper

Hier finden Sie alle Whitepaper unserer Industrieseiten
Anzeige

Industrie.de Infoservice

Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de