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.
Inhaltsverzeichnis
- EINLEITUNG
- STAND DER TECHNIK
- Problemstellung und Zielsetzung
- Metallbearbeitung durch Fräsen
- Schwingungen im Fräsprozess
- Abtragssimulation
- SIMULATION EINES FRÄSPROZESSES
- Simulationsumgebung MATLAB
- Einführung
- Beschreibung der Funktionalität
- Programmbeschreibung
- Anforderungen an das Simulationsprogramm
- Programmstruktur
- Beschreibung und Aufbau der Software
- Simulationsgenauigkeit, Rechenzeit und Speicherkapazität
- Einflüsse der Simulationsschrittweite auf die Oberflächenqualität
- Analyse und Optimierung der Simulationsdauer mit Hilfe des Profilers
- Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf
- Simulationsumgebung MATLAB
- VERSUCH
- Versuchsaufbau
- Versuchsdurchführung
- Auswertung
- Vergleich der Simulation mit der Tastschnittmessung
- Darstellung der Ergebnisse
- PARAMETERSTUDIE
- ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
- Zusammenfassung
- Ausblick
- LITERATURVERZEICHNIS
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Diese Studienarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Evaluierung eines Algorithmus für die Simulation instabiler Fräsprozesse unter Verwendung von MATLAB. Die Arbeit zielt darauf ab, die Oberflächenbeschaffenheit von Werkstücken, die durch Fräsbearbeitung entstehen, vorherzusagen und aus der entstandenen Oberfläche Rückschlüsse auf die im Fräsprozess wirkenden Schwingungsparameter zu ziehen.
- Numerische Simulation von instabilen Fräsprozessen
- Vorhersage der Oberflächenbeschaffenheit
- Analyse der Schwingungsfrequenzen und -amplituden
- Einfluss von Prozess- und Schwingungsparametern auf die Oberflächenqualität
- Optimierung von Rechenzeit und Simulationsgenauigkeit
Zusammenfassung der Kapitel
Die Arbeit startet mit einer Einführung in die Thematik der Fräsbearbeitung und der Simulation von Fräsprozessen. Dabei werden die zentralen Ziele der Arbeit sowie die relevanten Prozess- und Schwingungsparameter beschrieben. Anschließend wird der Stand der Technik beleuchtet, indem verschiedene Methoden und Modelle für die Abtragssimulation vorgestellt werden. Das dritte Kapitel widmet sich dem in MATLAB entwickelten Algorithmus für die Simulation instabiler Fräsprozesse, wobei die einzelnen Programmteile und ihre Funktionsweise detailliert erläutert werden. Im vierten Kapitel erfolgt der Vergleich der Simulationsergebnisse mit realen Versuchen. In der Parameterstudie im fünften Kapitel werden die Auswirkungen der Variation einzelner Prozess- und Schwingungsparameter auf die Oberflächenbeschaffenheit untersucht. Abschließend werden die Ergebnisse zusammengefasst und ein Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten gegeben.
Schlüsselwörter
Fräsen, Oberflächensimulation, instabile Fräsprozesse, MATLAB, Schwingungen, Ratterschwingungen, Prozessparameter, Schwingungsparameter, Simulationsgenauigkeit, Rechenzeit, Tastschnittmessung, Parameterstudie.
- Quote paper
- Alex Breisch (Author), 2007, Oberflächensimulation für instabile Fräsprozesse, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/81078
