Fundamental investigation on oscillation-superimposed machining of wood and wood-based materials
Final Report Abstract
Im Rahmen dieses Vorhabens wurde der Einfluss der schwingungsüberlagerten Zerspanung von anisotropen Werkstoffen untersucht. In diesem Zusammenhang wurden anhand systematischer theoretischer und experimenteller Untersuchungen die Wechselwirkungen zwischen den zerspan- und schwingungstechnischen Parametern sowie Schnitt- und Anregungsrichtungen beim ultraschallgestützten Zerspanen von anisotropen Werkstoffen grundlegend untersucht. Zu diesem Zweck wurden zuerst die Werkzeuge und der für die Aufbringung der Ultraschallschwingung notwendige Aktor sowie die Versuchseinrichtungen ausgelegt, konstruiert und gefertigt. Die qualitativen und quantitativen Einflüsse der Anregungsrichtungen auf die Schnittkräfte und Bearbeitungsqualität konnten sehr gut verifiziert werden. Basierend auf der festgelegten optimalen Anregungsrichtung wurden die Einflüsse der zerspanungstechnologischen Parameter und die Schwingungsamplitude der Sonotrode auf die werkzeugseitige Schnittkraft, werkstückseitige Leistungsaufnahme und Bearbeitungsqualität durch zahlreiche Parametervariationen untersucht. Die dabei erzielten Ergebnisse verdeutlichen, dass das ultraschallgestützte Zerspanen von Holz und Holzwerkstoffen nicht nur durch die zerspanungstechnologischen Parameter, wie z.B. Zahnvorschub und Schnitttiefe beeinflusst werden, sondern auch durch die zugrunde gelegten schwingungstechnischen Parameter. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen den o.g. Parametern forderte die Einführung neuer Verhältnisparameter zur reproduzierbaren und aussagefähigen Auswertung der Ergebnisse. Hierbei wurde festgestellt, dass die spezifische Schnittkraft mit steigendem Verhältnis von Zahnvorschub und Geschwindigkeitsverhältnis stark abfällt. Somit kann die spezifische Schnittkraft mittels ultraschallgestützter Zerspanung und die Auswahl des richtigen Parameterverhältnisses fz/δ um bis zu 99% reduziert werden. Bei der Bestimmung der Bearbeitungsqualität konnte ebenfalls eine Verbesserung der Schnittfläche festgestellt werden. Allerdings konnte keine eindeutige Wechselwirkung zwischen den schwingungs- und zerspanungstechnologischen Parametern und der erreichbaren Schnittqualität gefunden werden. Das erstellte Regressionsmodell, basierend auf einem FE-Modell und dem Ansatz von Victor und Kienzle kann für die Modellierung der Schnittkräfte beim ultraschallgestützten Zerspanen von Holz und Holzwerkstoffen zur Vorauswahl der optimalen schwingungs- und zerspanungstechnologischen Parameter verwendet werden. Weiterhin wäre von Interesse, die Einflüsse von unterschiedlichen Werkzeuggeometrien und Werkzeugschneidstoffe beim ultraschallgestützten Zerspanen von anisotropen Werkstoffen zu untersuchen.
Publications
- Schwingungsunterstützte Zerspanung von Holz und Holzwerkstoffen. In HOB – Die Holzbearbeitung (2014) 4, S. 56-58
Heisel, U.; Stehle, T.; Forcillo, V.; Mayer, T.; Ivanova, S.
- Schwingungsüberlagerte Drehbearbeitung von Holz und Holzwerkstoffen. In Tagungsband des 17. Holztechnologischen Kolloquiums, Wagenführ, A. (Hrsg.), Selbstverlag der TU Dresden (April. 2016), S. 37-45
Stehle, T; Ivanova, S.; Ghassemi, H
- Ultraschallunterstützte Zerspanung von Holz. In: IfWNews, Institut für Werkzeugmaschinen Universität Stuttgart, Ausgabe 17, April 2016
Ghassemi, H.
- Ultraschallunterstütztes Drehen von Holz und Holzwerkstoffen. In: Holztechnologie, 58(2017)1. - S. 24 - 30 : 5 Abb., 3 Tab., 14 Lit.
Stehle T., Ivanova S., Ghassemi, H.
