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
1 EINLEITUNG
2 STAND DER TECHNIK
2.1 Problemstellung und Zielsetzung
2.2 Metallbearbeitung durch Fräsen
2.3 Schwingungen im Fräsprozess
2.4 Abtragssimulation
3 SIMULATION EINES FRÄSPROZESSES
3.1 Simulationsumgebung MATLAB
3.1.1 Einführung
3.1.2 Beschreibung der Funktionalität
3.2 Programmbeschreibung
3.2.1 Anforderungen an das Simulationsprogramm
3.2.2 Programmstruktur
3.2.3 Beschreibung und Aufbau der Software
3.3 Simulationsgenauigkeit, Rechenzeit und Speicherkapazität
3.3.1 Einflüsse der Simulationsschrittweite auf die Oberflächenqualität
3.3.2 Analyse und Optimierung der Simulationsdauer mit Hilfe des Profilers
3.3.3 Optimierung von Rechenzeit und Speicherbedarf
4 VERSUCH
4.1 Versuchsaufbau
4.2 Versuchsdurchführung
4.3 Auswertung
4.4 Vergleich der Simulation mit der Tastschnittmessung
4.5 Darstellung der Ergebnisse
5 PARAMETERSTUDIE
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK
6.1 Zusammenfassung
6.2 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, einen Algorithmus unter MATLAB zu entwickeln, um instabile Fräsprozesse zu simulieren und die resultierende Oberflächenbeschaffenheit vorherzusagen. Die zentrale Forschungsfrage untersucht, wie durch numerische Simulationen Rückschlüsse auf die während der Fräsbearbeitung auftretenden Schwingungen gezogen werden können, um Prozessparameter wie den Vorschub zu optimieren.
- Entwicklung eines Algorithmus zur Simulation instabiler Fräsprozesse in MATLAB.
- Vorhersage der Oberflächenbeschaffenheit bei schwingungsbehafteter Bearbeitung.
- Experimentelle Verifizierung der Simulation durch Tastschnittmessungen.
- Parameterstudie zur Analyse der Einflüsse von Schwingungen, Drehzahl und Vorschub auf das Arbeitsergebnis.
- Optimierung der Simulationsdauer und Genauigkeit.
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Anforderungen an das Simulationsprogramm
Der Zweck des entwickelten Simulationsprogramms ist es, nach der Eingabe der Prozess- Schwingungs- und Simulationsparameter einen schwingungsbehafteten Fräsprozess zu simulieren und die entstandene Oberfläche darzustellen. Das Maschinen- und Werkzeugverhalten sowie die Steuerung werden idealisiert. Es werden die Prozessparameter (Drehzahl, Vorschub, Werkzeuggeometrie etc.) und die Schwingungsparameter (Schwingung in x-, und y-Richtung, Verkippung um die x-, und y-Achse) in die Simulation einbezogen. Schwankungen der Werkstoffhomogenität und Geometrieveränderungen aufgrund schwankender Temperaturen können hier vernachlässigt werden.
Die Eingangsparameter, die im Rahmen der Simulation berücksichtigt werden sollen, werden im Folgenden erläutert.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Einführung in die Problematik von Ratterschwingungen beim Fräsen und die Zielsetzung der Arbeit zur Oberflächensimulation.
2 STAND DER TECHNIK: Überblick über Fräsprozesse, Ursachen von Schwingungen (Selbst- vs. Fremderregung) und bestehende Simulationsmethoden.
3 SIMULATION EINES FRÄSPROZESSES: Detaillierte Beschreibung des in MATLAB entwickelten Algorithmus, der Programmstruktur und der Simulationsparameter.
4 VERSUCH: Erläuterung des Versuchsaufbaus, der Durchführung von Fräsbearbeitungen an Aluminiumplatten und der Verifizierung der Simulation mittels Tastschnittmessung.
5 PARAMETERSTUDIE: Untersuchung der Auswirkungen verschiedener Prozess- und Schwingungsparameter auf die simulierte Oberflächengüte.
6 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK: Fazit der erzielten Ergebnisse zur Simulationsentwicklung sowie Empfehlungen für weiterführende Verbesserungen.
Schlüsselwörter
Fräsen, Oberflächensimulation, Ratterschwingungen, MATLAB, Prozessparameter, Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz, HSC-Fräsen, Tastschnittmessung, Stabilitätskarte, Geometrie, Parameterstudie, Oberflächenqualität, Algorithmus, Dynamik.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung eines numerischen Simulationsprogramms in MATLAB, um die Oberflächenbeschaffenheit von Werkstücken bei instabilen Fräsprozessen vorherzusagen.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zu den Schwerpunkten gehören die Analyse von Frässchwingungen (Rattern), die mathematische Modellierung der Werkzeugbahn sowie die Optimierung von Rechenzeit und Genauigkeit in Simulationsumgebungen.
Was ist das primäre Ziel der Forschung?
Das Ziel ist es, vor der eigentlichen Fertigung eine Oberfläche simulieren zu können, um prozessrelevante Schwingungsparameter besser zu verstehen und die Qualität durch gezielte Parameteranpassung zu steigern.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es wird eine diskrete Simulationsmethode angewendet, bei der die Bahngeometrie einzelner Fräserschneiden generiert und die Oberflächenkontur basierend auf diesen Daten berechnet wird.
Was umfasst der Hauptteil der Arbeit?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretische Fundierung, die detaillierte Beschreibung des Software-Aufbaus in MATLAB, die experimentelle Erprobung an einer Fräsmaschine und eine umfangreiche Parameterstudie.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am besten?
Die Arbeit ist geprägt durch Begriffe wie Oberflächensimulation, Ratterschwingungen, MATLAB-Programmierung und Fräs-Prozessparameter.
Wie wurde die Simulation validiert?
Die Validierung erfolgte durch einen Abgleich der simulierten Oberflächenprofile mit realen Tastschnittmessungen, die an Nuten in gefrästen Aluminiumplatten durchgeführt wurden.
Welchen Einfluss haben die Schrittweiten auf das Ergebnis?
Die zeitliche und räumliche Schrittweite haben keinen Einfluss auf die physikalische Oberflächenbeschaffenheit, sind jedoch entscheidend für die Qualität der grafischen Darstellung und den Rechenaufwand der Simulation.
Welches Fazit zieht der Autor zur Simulationszeit?
Die Simulationszeit ist die größte Herausforderung. Eine Optimierung erfordert den Kompromiss zwischen notwendiger Detailgenauigkeit und der verfügbaren Rechenleistung.
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- Alex Breisch (Author), 2007, Oberflächensimulation für instabile Fräsprozesse, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/81078
