Grundlagenuntersuchung zur Vermeidung des Regenerativeffekts in Fräsprozessen durch gezielte Auslegung von Werkzeugen mit asymmetrischen dynamischen Eigenschaften

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professorin Dr.-Ing. Petra Wiederkehr
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495148486

Dynamische Effekte begrenzen häufig die Produktivität spanender Fertigungsprozesse. Es wird zwischen fünf Möglichkeiten zur Beeinflussung der Prozessdynamik unterschieden: Maximierung der Steifigkeit des Produktionssystems, Maximierung der strukturellen Dämpfung des Produktionssystems, Optimierung der Prozessparameter, Maximierung der Prozessdämpfung und Störung des Regenerativeffekts. Eine Erhöhung der Steifigkeit oder der strukturellen Dämpfung eines Produktionssystems stellt z. B. eine große Herausforderung in der Konstruktion von Werkzeugmaschinen dar. Die optimale Auslegung und Parametrisierung eines Zerspanprozesses oder Optimierung von Prozessdämpfungseffekten erfordern eine detaillierte Kenntnis prozessspezifischer dynamischer Eigenschaften des Produktionssystems, weiterer Prozessgrößen und ein umfangreiches Expertenwissen auf dem Gebiet der Prozessdynamik. Eine Störung des Regenerativeffekts ist weitgehend unabhängig von den Rahmenbedingungen seitens des Produktionssystems und prozesses, weshalb diese Methode im Sinne einer universell anwendbaren Strategie zur Produktivitätssteigerung besonders interessant ist. Der vorgestellte Projektansatz beschreibt eine neuartige Methode zur Störung des Regenerativeffekts durch Einsatz von Fräswerkzeugen mit asymmetrischen dynamischen Eigenschaften (AsymWZ). Durch eine Präparation des Werkzeugschafts mit parallelen, gegenüberliegenden Nuten werden die dynamischen Eigenschaften, d. h. Eigenfrequenzen und Nachgiebigkeiten von Fräswerkzeugen, richtungsabhängig verändert. Entsprechend der Arbeitshypothese unterliegen Fräsprozesse unter dem Einsatz von AsymWZ weiterhin dynamischen Nachgiebigkeiten, jedoch stimmen die werkzeugseitigen Eigenfrequenzen aufeinanderfolgender Zahneingriffe nicht mehr überein, was eine Anregung selbsterregter Schwingungen vermeidet. Der Regenerativeffekt kann somit unterdrückt werden. Im Rahmen experimenteller Untersuchungen konnte eine Steigerung der Stabilitätsgrenze und der Produktivität von bis zu 69 % erzielt werden. Das Ziel der beschriebenen Projektinitiative besteht in der Entwicklung einer simulationsgestützten Auslegung von AsymWZ. Hierzu werden die Wirkzusammenhänge zwischen den geometrischen Eigenschaften von AsymWZ und der Prozessdynamik zunächst grundlegend erforscht. Der Effekt einer richtungsabhängigen Veränderung der dynamischen Eigenschaften von AsymWZ soll experimentell und durch Anpassung und Einsatz eines geometrisch-physikalischen Simulationssystems für Zerspanprozesse analysiert werden. Für die Entwicklung der Methodik steht ein Kompromiss zwischen einer Schwächung der Struktur in einer Richtung und der Differenzierung der richtungsabhängigen Eigenfrequenzen unter Berücksichtigung varianter Eingriffssituationen im Fokus.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen