Oberflächensimulation für instabile Fräsprozesse

von

Alex Breisch

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG 1

2 STAND DER TECHNIK 3

2.1 Problemstellung und Zielsetzung  3
2.2 Metallbearbeitung durch Fräsen 3
2.3 Schwingungen im Fräsprozess  4
2.4 Abtragssimulation  7

3 SIMULATION EINES FRÄSPROZESSES  11

3.1 Simulationsumgebung MATLAB 11

3.1.1 Einführung  11
3.1.2 Beschreibung der Funktionalität  11

3.2 Programmbeschreibung  12

3.2.1 Anforderungen an das Simulationsprogramm  12
3.2.2 Programmstruktur  16
3.2.3 Beschreibung und Aufbau der Software  17

3.3 Simulationsgenauigkeit, Rechenzeit und Speicherkapazität  25

3.3.1 Einflüsse der Simulationsschrittweite auf die Oberflächenqualität  25
3.3.2 Analyse und Optimierung der Simulationsdauer mit Hilfe des Profilers  26
3.3.3 Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf  26

4 VERSUCH 28

4.1 Versuchsaufbau 28
4.2 Versuchsdurchführung  29
4.3 Auswertung 29
4.4 Vergleich der Simulation mit der Tastschnittmessung 31
4.5 Darstellung der Ergebnisse  32

5 PARAMETERSTUDIE 37

6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 53

6.1 Zusammenfassung  53
6.2 Ausblick  53

7 LITERATURVERZEICHNIS  55

8 ANHANG  A

A1: QUELLCODE MATLAB-SIMULATION  A
A2: QUELLCODE VERGLEICH DER SIMULATION MIT DER TASTSCHNITTMESSUNG F
 

1 Einleitung

Fräsen ist ein Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide und gehört zu den wichtigsten fertigungstechnischen Bearbeitungsverfahren. Wie in vielen Bereichen des Maschinenbaus steigen auch die Anforderungen an Produkte des Werkzeugmaschinenbaus. Die Produktionszeiten in der Fertigung werden wegen des steigenden Wettbewerbs immer kürzer, wobei die Ansprüche an die Qualität der Oberflächenbeschaffenheit steigen. Während eines Fräsprozesses kann es jedoch zu unerwünschten Schwingungen des Werkzeugs kommen, den sog. Ratterschwingungen, was zu einer Verschlechterung der Werkstückoberfläche führen kann. Daher ist es nahe liegend vor einem Fräsprozess die Oberflächenbeschaffenheit mittels einer Simulation vorherzusagen um dann gegebenenfalls Veränderungen der Prozessgrößen vorzunehmen wie z.B. eine Vorschubanpassung. Die bisherigen Entwicklungen und Untersuchungen lassen jedoch noch viele Fragen hinsichtlich der entstehenden Oberflächenbeschaffenheit und vor allem der Schwingungsfrequenzen und -amplituden offen. Am Laboratorium für Werkzeugmaschinen (WZL) der RWTH-Aachen laufen daher einige Forschungsprojekte auf diesem Gebiet. Im Rahmen dieser Arbeit wird unter MATLAB ein Programm für die Simulation der Oberflächenbeschaffenheit einer schwingungsbehafteten Fräsbearbeitung entwickelt und getestet.
Die zwei zentralen Ziele einer Oberflächensimulation sind zum einen vor dem eigentlichen Fräsprozess die Oberfläche mittels einer Simulation vorhersagen zu können und zum anderen nach einer Fräsbearbeitung anhand der Oberflächenbeschaffenheit des Werkstückes Rückschlüsse auf die im Fräsprozess wirkender Schwingungsfrequenzen und -amplituden zu ziehen. Im Rahmen dieser Studienarbeit wird vorrangig die Vorhersage der bearbeiteten Oberfläche ermöglicht. Die dafür zu entwickelnden Software-Werkzeuge und insbesondere entsprechende Verifikationsversuche dienen als Vorarbeit für einen späteren Rückschluss von der bearbeitenden Oberfläche auf die zugrunde liegende Schwingung. Zu Beginn wird der Stand der Technik beschrieben. Es wird auf die Problemstellung einer Frässimulation und auf die bei einem Fräsprozess auftretenden Schwingungen eingegangen. Das folgende Kapitel befasst sich mit dem für die Simulation entwickelten Algorithmus. Die verwendete Software (MATLAB) und die einzelne Programmabschnitte werden erläutert. Es wird ebenso die Problematik der Simulationsgenauigkeit und der Rechenzeit beschrieben. Das vierte Kapitel befasst sich mit dem Vergleich der Oberfläche eines realen Fräsprozesses mit dem aus der entwickelter Simulation erhaltenden Ergebnissen. Im vorletzten Kapitel wird eine Parameterstudie durchgeführt. Die Auswirkungen der Variation einzelner Parameter auf die entstandene Oberfläche werden anhand von Simulationsergebnissen sichtbar gemacht. Abschließend werden eine Zusammenfassung der Arbeit sowie ein Ausblick gegeben.

2 Stand der Technik

2.1 Problemstellung und Zielsetzung

Eine genaue Vorhersage der Oberflächenbeschaffenheit eines Fräsprozesses ist mit Hilfe einer numerischen Simulation problematisch, weil es zum einen eine große Anzahl an variablen Prozessparametern gibt (Prozess-, Schwingungs-, Material-, Maschinenparameter etc.) und zum anderen teilweise nicht bestimmbare und zufällige Randbedingungen vorliegen. Die zwei zentralen Ziele der zu entwickelnden Simulation sind:

1. Noch vor dem eigentlichen Fräsprozess die erzeugte Oberflächenqualität vorhersagen zu können.
2. Nach einem Fräsprozess anhand der entstandenen Oberfläche Rückschlüsse auf die im Fräsprozess aufgetretenen Schwingungen zu ziehen (Kapitel 5).

Die Problematik der numerischen Simulation eines Fräsprozesses ist die Basis für diese Arbeit. Das Ziel ist es, mit Hilfe von MATLAB einen Algorithmus für die Simulation eines instabilen Fräsprozesses zu entwickeln. Hierbei soll versucht werden die Simulationszeit und den Speicherbedarf zu minimieren und gleichzeitig eine akzeptable Darstellung der Oberfläche zu realisieren.

2.2 Metallbearbeitung durch Fräsen

Fräsen ist ein Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide und gehört zu der Gruppe der trennenden Fertigungsverfahren. Die Entstehung der Form erfolgt durch das Abtragen von Spänen. Dabei vollzieht ein ein- oder mehrschneidiges Werkzeug (Fräser) eine drehende Bewegung, die mit einer Vorschubbewegung überlagert wird. Das Grundmaterial eines Fräsers muss verschleißarm und hitzebeständig sein und eine hohe Zähigkeit aufweisen.
Fräsen unterteilt sich in zwei Gebiete: das Schrupp-, und das Schlichtfräsen [SUR05]. Der Schruppprozess nimmt rund die Hälfte der Fräsbearbeitung in Anspruch. Dabei findet eine grobe Bearbeitung des Rohlings mit Werkzeugen großer Durchmesser statt. Das Ziel dieses Prozesses ist, so viel Material pro Zeit wie möglich ohne Rücksicht auf die Qualität der entstandenen Oberfläche abzutragen, d.h. ein hohes Zespanungsvolumen zu erzielen. Für die Luftfahrt z.B. werden bei der Fertigung von Integralbauteilen bis zu 96% des Materials abgetragen. Daher ist ein hohes Zerspannvolumen ein sehr wichtiger Faktor. Hierbei treten große Kräfte auf, die Schwingungen des Werkzeugs und der gesamten Maschinenstruktur verursachen. Beim Vorschlichten werden Werkzeuge kleinerer Durchmesser verwendet, um dort das Material abzutragen, wohin das vorherige Werkzeug wegen seiner Geometrie nicht vorrücken konnte [SUR05].
Bei einem Schlichtprozess wird versucht, eine möglichst glatte Oberfläche zu erzeugen um eine Nachbearbeitung zu erleichtern oder überflüssig zu machen. Ein besonderer Bereich der Fräsbearbeitung ist das HSC-Fräsen (High-Speed-Cutting). Mit diesem Verfahren werden ein größeres Zeitspanvolumen und eine erhebliche Verbesserung der Oberflächenqualität erreicht. Während dieses Fräsprozesses wird die meiste erzeugte Wärme mit dem Span abgeführt, daher ist die Wärmeabfuhr mittels Kühlmittel nicht notwendig. Ursprünglich wurde dieses Verfahren entwickelt, um eine Durchtrennung der Graphitkörner bei der Bearbeitung von Graphitelektroden zu ermöglichen (Schnittgeschwindigkeit min. 700 m/min). Heute setzt man das HSC-Fräsen auch für die Bearbeitung von Leichtmetallen, Kunststoffen und Stählen ein.

2.3 Schwingungen im Fräsprozess

Bei einem Fräsprozess können unerwünschte Schwingungen auftreten, die entweder aus der Selbsterregung oder der Fremderregung hervorgehen. Die Fremderregung wird durch die Zahneingriffsfrequenz, Störkräfte, die über das Fundament in die Maschine gelangen, Unwuchten sowie ungenaue Fertigung der Maschinenteile ausgelöst und ist für die Oberflächenqualität meist nicht von großer Bedeutung. Die Zahneingriffsfrequenz ist die Frequenz, mit der die Schneiden in das Werkstück eindringen. Charakteristisch für diese Schwingungsart ist, dass das Maschinensystem mit der Frequenz der Anregungskräfte schwingt. Wenn die Schwingungsfrequenz nahe der Eigenfrequenz der Maschine liegt, kann es zu größeren Amplituden kommen (Abbildung 1). Dies tritt aber nur bei periodischer Anregung auf. Bei anderen Anregungsarten (Impuls) schwingt die Maschine mit der Eigenfrequenz weiter, wobei die Schwingungsamplituden aufgrund der Dämpfung abklingen. Die erzwungene Schwingung lässt sich im allgemeinen reduzieren oder abstellen. Das wird dadurch bewerkstelligt, dass entweder die Störquelle beseitigt wird oder bei periodischer Anregung die Anregungsfrequenz so geändert wird, dass sie nicht die Nähe der Eigenfrequenz der Maschine kommt [WEC06, WER73, KAL05].

Abbildung 1: Fremderregung [WEC06] [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Für die selbsterregte Schwingung sind der Regenerativeffekt, die Lagekopplung oder eine fallende F-v-Charakteristik verantwortlich. Die selbsterregte Schwingung verursacht eine schlechte Oberflächenqualität und hat einen hohen Werkzeugverschleiß zur Folge. Die Schwingungsamplitude steigt zunächst kontinuierlich mit der Schnitttiefe. Bei der kritischen Schnitttiefe acr tritt ein schlagartiger Anstieg der Schwingungsamplitude auf (Abbildung 2) und der Fräsprozess wird instabil. Bei einer weiteren Erhöhung der Schnitttiefe steigt die Schwingungsamplitude weiter an. Diese Art der Schwingung nennt man Rattern. Es tritt nahe einer oder mehrerer Eigenfrequenzen der Maschine auf und insbesondere bei schlanken Werkzeugen. Es werden daher für die verschiedene Werkstoffe, Werkzeuge und Spindelsysteme Stabilitätskarten (Abbildung 3) angefertigt, aus denen man die Stabilitätsgrenze anhängig von der Drehzahl ablesen kann.

Abbildung 2: Selbsterregung [WEC06] [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Abbildung 3: Beispielhafte Darstellung einer Stabilitätskarte [Abbildung in der Downloaddatei vorhanden]

Die fallende F-v-Charakteristik bedeutet, dass die Schnittkraft mit steigender Schnittgeschwindigkeit abnimmt. Dieses hat einen negativen Dämpfungseinfluss zur Folge, der auch zu Instabilitäten infolge selbsterregter Schwingungen führen kann. Eine selbsterregte Schwingung aufgrund der Lagekopplung kann bei gekoppelten Systemen, deren Eigenfrequenzen dicht aneinander liegen, auftreten. Durch gegenseitiges Beeinflussen dieser Eigenschwingungen kann die Neigung der Maschine zur Instabilität erhöht werden. Das wesentliche dynamische Problem bei spanenden Werkzeugmaschinen ist jedoch der Regenerativeffekt. Er wird durch die Regeneration der Spanungsdicke hervorgerufen. Diese Selbsterregung ist eine Folge der durch die fremderregte Schwingung entstandenen Oberflächenwelligkeit, die beim Fräsen bei Einschneiden der nächsten Schneide zu einer Anregung von Schwingungen führt [WEC06, WER73, KAL05].

2.4 Abtragssimulation

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