Magnetaktor zur aktiven Dämpfung und Stabilisierung einer Luftlagerspindel für die Mikrozerspanung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491400446

Die Mikrozerspanung zeichnet sich durch eine hohe realisierbare Geometriekomplexität, eine breite Palette an bearbeitbaren Werkstoffen und kurze Prozessketten mit geringen Fertigungszeiten aus. Aufgrund ihrer guten Eignung für diesen Bereich werden für die Mikrozerspanung hauptsächlich luftgelagerte Werkzeugspindeln eingesetzt. Mit ihnen lassen sich sehr hohe Drehzahlen und Rundlaufgenauigkeiten erzielen, die bisher von keinem anderen Lagersystem erreicht werden. Trotz der ihrer Vorteile sind diese Spindeln aufgrund der ausschließlich passiv agierenden Luftlager in ihren Einsatzmöglichkeiten begrenzt. So wird die erreichbare Drehzahl durch selbsterregte Schwingungen innerhalb der Luftlager begrenzt, weiterhin kommt es bei prozessbedingt notwendigen Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit zu Schwingungen und in der Folge zu unerwünschten Formabweichungen des Bearbeitungsergebnisses. Weiterhin müssen die verwendeten Rotoren äußerst sorgfältig und aufwändig gewuchtet werden.Um höhere Spindeldrehzahlen, geringere Rundlaufabweichungen sowie einen nahezu unwuchtfreien Betrieb zu erreichen, ist es notwendig, die passiv agierenden Luftlager um aktive Komponenten zu ergänzen. Diese ermöglichen es, sowohl drehzahlunabhängige Störkräfte, verursacht durch Umgebungseinflüsse, als auch drehzahlabhängige Einflüsse in Form von Zentrifugalkräften, thermischen Belastungen sowie Zerspankräften durch eine geeignete Regelung auszugleichen. Weiterhin ist es möglich, die Rotorauswuchtung aktiv zu unterstützen und die Spindel bei Nenndrehzahl unwuchtfrei zu betreiben.Im Rahmen des beantragten Forschungsvorhabens soll ein Magnetaktor zur aktiven Dämpfung und Stabilisierung einer Luftlagerspindel für die Mikrozerspanung entwickelt werden. Das Forschungsvorhaben umfasst den Entwurf eines Regelkreises sowie die modellbasierte Auslegung und Programmierung des Reglers. Weiterhin wird eine Luftlagerspindel konstruktiv angepasst, um eine Integration des entwickelten Magnetaktors zu ermöglichen. Von der angepassten Luftlagerspindel samt Magnetaktor und Regler wird ein Funktionsmuster gefertigt, um zunächst den modellbasierten Entwurf des Magnetaktors sowie seine Regelfähigkeit zu validieren. Anschließend werden mit der angepassten Luftlagerspindel Fräsversuche durchgeführt. Dabei wird untersucht, ob der Magnetaktor Schwingungen kompensieren kann, die auf Änderungen der Vorschubgeschwindigkeit beruhen. Des Weiteren werden Fräsversuche zur Beurteilung der Bearbeitungsergebnisse bei unwuchtfrei geregeltem Lauf durchgeführt. Nach Abschluss des Projekts können erstmals an die Vorschubgeschwindigkeit angepasste Drehzahlen erreicht und durch das Fräsen mit idealem Vorschub pro Zahn stark verbesserte Fräsergebnisse ermöglicht werden. Weiterhin werden Unwuchten durch den Magnetaktor aktiv kompensiert, wodurch die nahezu unwuchtfreie fräsende Mikrobearbeitung bei vorgegebener Drehzahl ermöglicht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen