Entwicklung einer Methodik zur Erweiterung und auslenkungsbasierten Kalibrierung eines achsstellungssensitiven Prozesskraftmodells

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professorin Dr.-Ing. Petra Wiederkehr
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 403392440

Prozesssimulationen ermöglichen die Planung und verbesserte Auslegung von Fräsprozessen, um eine anforderungsgerechte Werkstückqualität bei hoher Produktivität zu erreichen. Zur Vorhersage der resultierenden Oberflächenqualität und Vermeidung regenerativer Schwingungen werden bspw. geometrisch-physikalische Prozesssimulationen genutzt, welche Modelle zur Abbildung der Nachgiebigkeit des Produktionssystems und der wirkenden Prozesskräfte nutzen. Die empirische Kalibrierung der Zerspankraftmodelle erfolgt unter Einsatz verschiedener Optimierungstechniken, wie evolutionären Algorithmen, anhand von Kraftmessungen für die zu untersuchende Werkstoff-Werkzeug-Kombination. Die Parametrierung eines Kraftmodells ist uneindeutig, da unterschiedliche Parameterwertekombinationen zu einer vergleichbar guten Modellierung der Prozesskräfte führen können. Diese unterschiedlichen Kalibrierungen können jedoch bei der Simulation von Schwingungen zu einer Vorhersage unterschiedlicher Auslenkungen führen. Weiterhin begrenzen die zur Kraftmessung verwendeten Kraftmessplattformen oder Rotationsdynamometer aufgrund ihres Übertragungsverhaltens und ihrer Nachgiebigkeit den Bereich der Prozessparameterwerte, welcher in den Untersuchungen genutzt werden kann.In diesem Projekt soll eine neue Methodik zur Parametrierung von Prozesskraftmodellen entwickelt werden. Durch eine Berücksichtigung von Werkzeugauslenkungen, die während der Zerspanung gemessen werden, soll die eindeutige Bestimmung von Prozesskraftkoeffizienten ermöglicht werden. Aufgrund der physikalischen Wechselwirkungen zwischen den Werkzeugauslenkungen und den anregenden Prozesskräften sind Rückschlüsse von den Auslenkungen auf die Prozesskraft unter Berücksichtigung der bekannten Nachgiebigkeit des Systems möglich. Nach einer initialen Parametrierung anhand von Kraftmessungen für eine Werkstoff-Werkzeug-Kombination soll die Parameteroptimierung anschließend anhand von Auslenkungsmessungen erfolgen. Diese sind − bspw. unter Verwendung von Wirbelstromsensoren − im Gegensatz zu Kraftmessungen berührungslos und damit ohne Einfluss auf das Prozessverhalten.Zur Sicherstellung einer hinreichenden Vorhersagegenauigkeit für die Simulation von Fräsprozessen mit Werkzeugen mit sphärischen Formelementen soll ein erweitertes Kraftmodell entwickelt werden. Basierend auf dem Zerspankraftmodell nach Kienzle sollen dabei sowohl die Werkzeugorientierung als auch die entlang der Schneide variierenden Eingriffsbedingungen berücksichtigt werden. Weiterhin sind Untersuchungen zur Übertragbarkeit der Modellkalibrierung auf andere Werkstoffe (am Beispiel von Stahl- und Aluminiumwerkstoffen) und Werkzeuge geplant. Durch die neue Methodik zur Kalibrierung des erweiterten Kraftmodells anhand gemessener Auslenkungen soll insgesamt eine eindeutige Vorhersage von Prozesskräften und Werkzeugauslenkungen und eine Erweiterung des Gültigkeitsbereichs der Modelle erreicht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen