Einfluss fremderregter Torsionsschwingungen auf die Stabilität von Zerspanprozessen am Beispiel Kaltkreissägen

• Antragsteller: Dr.-Ing. Martin Kolouch, Ph.D.; Professor Dr. Günter Radons (†)
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 321138034

Steigende Qualitätsanforderungen und kürzere Produktlebenszyklen bei hohem Wettbewerbsdruck verlangen flexible Zerspanprozesse an der Leistungsgrenze moderner Werkzeugmaschinen. Oft führen jedoch starke Schwingungen beim Zerspanen zu schlechter Oberflächenqualität, erhöhtem Werkzeugverschleiß und Lärmbelastung, wodurch das Leistungspotential der Maschine nicht voll genutzt werden kann. Zur Optimierung der Prozesse und der Werkzeugmaschinen werden daher Modelle genutzt um Schwingungen vorherzusagen und ein theoretisches Verständnis für das sogenannte Rattern zu entwickeln. Hauptursache für das Rattern ist der Regenerativeffekt, wobei kleine Schwingungen auf dem Werkstück eine wellige Oberfläche hinterlassen und das erneute Einschneiden in die wellige Oberfläche zu verstärkten Schwingungen führt. Eine wesentliche Größe ist dabei die Totzeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schnitten derselben Oberfläche. Unter anderem beim Planfräsen, Tieflochbohren und Sägen können aufgrund von periodischen Schnittmomenten signifikante fremderregte Torsionsschwingungen auftreten, welche zu einer zustandsabhängigen Schwankung der Totzeit führen. Während der klassische Regenerativeffekt mit einer konstanten Totzeit bereits häufig untersucht und gut verstanden ist, sind die Effekte einer zustandsabhängigen Totzeit durch fremderregte Torsionsschwingungen nahezu unerforscht. Ziel dieses Vorhabens ist es diese Problematik sowohl theoretisch anhand von dynamischen Prozessmodellen als auch experimentell am Versuchstand und an einer realen Maschine zu untersuchen. Dabei sollen insbesondere die Effekte durch eine dynamische Verlagerung der Zahneingriffe ins Werkstück und der Effekt einer zustandsabhängigen Totzeit auf die Stabilität von Zerspanprozessen untersucht werden. Die Untersuchungen erfolgen am Beispiel Kaltkreissägen von dünnwandigen Werkstücken, da bekannt ist, dass beim Kreissägen Torsionsschwingungen zu Instabilitäten führen können und bei dünnwandigen Werkstücken zusätzlich eine starke Fremderregung auftritt. Bei vorangegangen Untersuchungen am Fraunhofer IWU zeigten sich zudem weitere unerforschte Effekte. Dies sind einerseits Instationaritäten während des Prozesses aufgrund sich kontinuierlich verschiebender Zahneingriffsbereiche mit einer Änderung der Anregungswirkstelle und einhergehendem wechselndem Schwingungsverhalten. Andererseits befand sich während der Zerspanung zeitweise keine Schneide im Werkstückeingriff, was zum Vorspannungsverlust der gesamten Struktur und damit zu ausgeprägten nichtlinearen Torsionsschwingungen führen kann. Diese zusätzlichen Effekte, die prinzipiell auch beim Fräsen und Tieflochbohren auftreten können, sollen ebenfalls in diesem Projekt untersucht werden. Am Ende soll eine eindeutige Identifizierung des Prinzips von Ursache und Wirkung möglich sein, so dass ein grundlegendes Verständnis des Einflusses fremderregter Torsionsschwingungen auf die Stabilität von Zerspanprozessen erlangt werden kann.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen