Virtuelle Maschinenkonfiguration garantiert hohe Prozesssicherheit bei hoher Produktivität

Korrekte Dimensionierung der Maschine spart Kosten

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In der Großserienfertigung werden Werkzeugmaschinen (WZM) häufig nur für einen Bearbeitungsprozess ausgelegt und angeschafft. Jedoch herrschen bei der kundenspezifischen Konfiguration Unsicherheiten bezüglich der dynamischen Eigenschaften der WZM. Die resultierenden dynamischen Eigenschaften der WZM sind aufgrund unterschiedlicher Komponenten durch die kundenspezifische Konfiguration nicht bekannt. Um mögliche Schäden in Folge unerwünschter prozesserregter Schwingungen der Maschinenstruktur vorzubeugen, werden WZM für den betrachteten Prozess mit einem höheren Sicherheitsfaktor hinsichtlich der Steifigkeit konstruiert als eigentlich nötig. Die Überdimensionierung resultiert in erhöhten Kosten der WZM. Ziel des Projekts „ProWeG“ ist aus diesem Grund die Reduzierung der Überdimensionierung und somit der Kosten bei gleichzeitiger Reduzierung der Auslegungsunsicherheit, indem die dynamischen Eigenschaften der kundenspezifischen Konfiguration virtuell in einer Simulationsumgebung abgebildet werden. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Benjamin Bergmann, Alexander Schmidt

Problemstellung und Motivation

Das Projekt „Prozessoptimiertes Bearbeitungsmodul für Werkzeugmaschinen der Großserienfertigung“ (ProWeG) wird gemeinsam von der Schuster Maschinenbau GmbH (Schuster) und dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) bearbeitet. Als repräsentative Großserienfertigung wurde die Kugelnabenfertigung gewählt; im Jahr 2016 wurden für die in Deutschland produzierten PKW mehr als 11 000 000 Kugelnaben (siehe Bild 2) benötigt [1].

Für die Großserienfertigung werden häufig speziell konstruierte WZM für einen spezifischen Prozess eingesetzt. Die Anforderung an die WZM ist die Sicherstellung der Prozesssicherheit bei gleichzeitig hoher Produktivität. Dabei gilt es insbesondere, Prozessinstabilitäten, wie Rattern, zu vermeiden. Es findet jedoch keine spezielle Betrachtung der dynamischen Eigenschaften statt, die neben den Prozessparametern, dem Werkstück und dem Werkzeug für die Prozessstabilität relevant sind. Somit können bei dem vom Auftraggeber geforderten Prozess unerwünschte Schwingungen auftreten, die zu einem instabilen Prozess führen.

Folgen der Schwingungen sind unter anderem erhöhte dynamische Belastungen für das Werkzeug und die WZM, hohe Lärmbelastungen sowie schlechte Oberflächenqualitäten der bearbeiteten Bauteile. Die Prozessstabilität kann entweder durch Anpassung der Prozessparameter, wie Schnitttiefe oder Drehzahl (siehe Bild 3 links), oder durch Änderung der Werkzeugmaschinenkonstruktion (siehe Bild 3 rechts) erhöht werden.

Die Anpassung der Prozessparameter ist häufig nicht möglich, da diese im Pflichtenheft explizit festgelegt wurden und eine Verringerung der Produktivität bedeuten. Hinsichtlich der WZM besteht daher nur die Möglichkeit, Änderungen an der Konstruktion und den Maschinenkomponenten vorzunehmen, um die dynamischen Eigenschaften zu beeinflussen.

Es werden zum Beispiel die Steifigkeit der Führungen variiert, steifere Lagertypen verwendet, die Bauteilmassen in der Nähe der Werkzeugspitze (TCP) erhöht oder eine andere Spindel eingesetzt. Entsprechend der Zehnerregel der Fehlerkosten, der sogenannten „Rule of Ten“, entstehen bei Änderung an einer bereits ausgelieferten WZM enorme Kosten und Zeitaufwände, weshalb Änderungen und Anpassungen zum frühestmöglichen Zeitpunkt der Entwicklungs- und Planungsphase umgesetzt werden sollten.

Aus diesem Grund wird eine Methode zur Bestimmung der Prozessstabilität von virtuellen Konfigurationen für WZM in der Großserienfertigung erarbeitet, um die Prozessstabilität bei hoher Produktivität bereits bei der Auslegung zu bestimmen. Anhand der dynamischen Eigenschaften der WZM und des Prozesses wird die Prozessstabilität während der Konstruktion und Konfiguration der WZM bestimmt. Somit wird bereits bei der Konfiguration sichergestellt, dass die kundenspezifisch angepasste WZM einen stabilen Bearbeitungsprozess ermöglicht. Eine kostenverursachende Überdimensionierung der Steifigkeit der WZM aufgrund von Unsicherheiten der dynamischen Eigenschaften soll vermieden werden.

Betrachtete Werkzeugmaschine

Im Projekt wird das modulare Werkzeugmaschinenkonzept der Schuster V-Reihe auf die sich konfigurationsabhängig ändernden dynamischen Eigenschaften untersucht. Die V-Reihe ist eine kompakte vertikale Drehzelle; pro Werkzeugmaschineneinheit werden lediglich 900 mm Aufstellbreite benötigt. Mit der V-Reihe sind Weich- und Hartbearbeitungsprozesse von rotationssymmetrischen Werkstücken als Komplettbearbeitung mit einem Durchmesser von bis zu 200 mm möglich.

Mit Hilfe des schnellen Handlingsystems werden die Nebenzeiten, im Vergleich zu konventionellen Pick-up-Lösungen, für den Teiletransport und das Be- und Entladen signifikant reduziert. Optional ist die V-Reihe durch ein Bearbeitungsmodul für Fräsoperationen erweiterbar. Mit der VD20DF hat Schuster eine vertikale Dreh- und Fräszelle für 5-Achs-Simultanbearbeitung im Portfolio (siehe Bild 4). Das zusätzlich integrierte Bearbeitungsmodul ermöglicht die präzise Bearbeitung von komplexen Geometrien wie Gelenkwellen oder Kugelnaben.

Simulationsumgebung für virtuelle Konfigurationen

Das konfigurationsabhängige dynamische Verhalten der WZM wird in Abhängigkeit des Fertigungsprozesses virtuell in einer Simulationsumgebung abgebildet. In der Simulationsumgebung werden zunächst die dynamischen Eigenschaften am TCP mit Hilfe der Finiten-Elemente-Methode abgebildet und die zu erwartenden Prozesskräfte mit einer am IFW entwickelten dexelbasierten Materialabtragssimulation (MAS) modelliert. Die MAS berechnet den im Prozess auftretenden Materialabtrag sowie die Prozesskräfte über die Zeit (siehe Bild 5). Dies ermöglicht die Berechnung von Prozesskräften für komplexe Werkzeug- und Werkstückgeometrien, bei denen analytische Bestimmungen nur mit erhöhtem Aufwand möglich sind.

Unter Einbeziehung der statischen Steifigkeit am TCP kann die statische Abdrängung berechnet und im NC-Code kompensiert werden. Im Anschluss wird die Prozessstabilität nach Altintas und Budak in Form einer Stabilitätskarte bestimmt (siehe Bild 3 und Bild 6) [2]. In der Stabilitätskarte ist die zulässige Schnitttiefe als Stabilitätsgrenze (SG) über der Drehzahl aufgetragen. Liegt der geforderte Prozess oberhalb der SG, ist der Prozess instabil. Um die SG zu Gunsten eines stabilen Prozesses zu verschieben, werden virtuelle Änderungen, wie beispielsweise der Bauteilmasse, des Dämpfungswerkstoffs, der Steifigkeit der Führungen und der Einzugskraft der HSK-Aufnahme, an der Konfiguration vorgenommen (siehe Bild 3 rechts).

Die Prozessparameter, wie Drehzahl und Schnitttiefe, werden nicht verändert. Liegt der geforderte Prozess für die konfigurierte WZM unterhalb der SG, liegt ein stabiler Prozess vor. Zur Vermeidung der Überdimensionierung werden Änderungen invers zum Vorgehen bei instabilen Prozessen vorgenommen, um die Herstellungskosten zu senken.

Erste Ergebnisse

Für die Parametrierung des Modells wurden eine experimentelle Modal- und Betriebsschwingungsanalyse an einer kundenneutralen VD20DF vorgenommen. Im Anschluss wurde die Prozessstabilität mit den dynamischen Eigenschaften am TCP berechnet. Aus Bild 6 ist zu entnehmen, dass die kundenneutrale VD20DF für den betrachteten Prozess überdimensioniert ist. Bei dem Fräsprozess der VL107 Kugellaufbahn ist die maximale Schnitttiefe ap = 8 mm. Berechnet wurde eine minimale SG von ap = 12 mm. Die minimale Stabilitätsgrenze ist um den Faktor 1,5 größer als für den Prozess benötigt. Im weiteren Projektverlauf werden somit die Einflussparameter analysiert, um die Überdimensionierung zu reduzieren. Zusätzlich wurde die wirkende Prozesskraft mit der MAS in den drei Werkzeugmaschinenachsen X, Y und Z für die Kugelnabe VL107 ermittelt (siehe Bild 5 links).

Die ersten Ergebnisse weisen zunächst die Prozesssicherheit sowie den Bedarf einer prozessangepassten WZM anhand der verfügbaren Leistungsreserven (Überdimensionierung) auf. Die Simulation zeigt vorgelagert das Bearbeitungspotential der WZM auf und ermöglicht es, bei Unter- oder enormen Überdimensionierungen spezifische Anpassungen vorzunehmen.

Fazit

Die vorgestellte Simulationsumgebung ermöglicht eine an den Prozess des Kunden angepasste Auslegung der WZM, sodass eine hohe Produktivität mit hoher Prozesssicherheit garantiert wird. Gleichzeitig wird eine Überdimensionierung der WZM verhindert, was Kosten für den Hersteller und den Kunden einspart.

Im Rahmen des Forschungsprojekts wird das Potential dieses Ansatzes für die Entwicklungsphase von WZM erforscht und bewertet.

Danksagung

Dieser Artikel entstand im Rahmen des vom zentralen Innovationsprogramm Mittelstand geförderten Projekts „ProWeG“. Besonderer Dank gilt dem BMWi für die Förderung, dem Kooperationspartner Schuster Maschinenbau GmbH für die Zusammenarbeit sowie der Fa. Franz Kessler GmbH für die Bereitstellung von CAD-Daten der Geometrie.

Leibniz Universität Hannover, Institut für
Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen
www.ifw.uni-hannover.de

Quellen:

[1] Baader, M.: Verband der Automobilindustrie, https://www.vda.de [Abgerufen am 28.06.2017].
[2] Altintas, Y.; Budak, E.: Analytical prediction of stability lobes in milling, CIRP Annals – Manufacturing Technology, Vol 44/1, S. 357–362, 1995.

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