Modellierung nichtlinear-dynamischer Effekte bei der Spanbildung zur Gestaltung optimierter Spanformstufen für die Drehbearbeitung

1999-2002: Projekt bei der VW-Stiftung mit der Firma Kennametal AG in Fürth und der Universitaet Kaiserslautern: Modellierung nichtlinear-dynamischer Effekte bei der Spanbildung zur Gestaltung optimierter Spanformstufen für die Drehbearbeitung (Warnecke, Michael Wiese, Doris Maus, Momper, Udo Schwarz, Andre Sitz)

Das Projekt hat zum Ziel, das Einsatzverhalten von Wendeschneidplatten durch quantitative, modellbasierte Optimierung der Spanformstufengeometrie und ihrer Oberflächentopologie zu verbessern. Die dynamischen Effekte bei der Spanbildung sollen mit Methoden der Zeitreihenanalyse analysiert und modelliert werden. Zur Entwicklung eines analytischen Modells sollen das fertigungstechnische System "Zerspanen" mit Schwerpunkt auf Spanentstehung/formung in ein physikalisch idealisiertes Ersatzsystem überführt und quantitative Kenngrößen ermittelt werden, die als Parameter in das Modell einfließen können. Die durch gezielte Auswahl der Spanformstufenparameter abgeleiteten Optimierungsstrategien sollen dann in ein Softwaretool zur objektiven Beurteilung von Spanformung u. Auslegung von Spanformstufen einfließen.

Hochgeschwindigkeitsdrehen

Drehen dient der spanenden Formgebung von rotationssymmetrischen Werkstücken. Zur Senkung der Produktionskosten, muss der Werkstoffabtrag pro Zeit erhöht werden ohne jedoch die Oberflächenqualität des Werkstücks zu verschlechtern. Das Kernproblem bei Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten ist die Entsorgung des abgehobenen Materials - des Spans. Zu frühes Brechen oder Wechselwirkungen des Spans mit dem Werkstück, können zu unerwünschten Beschädigungen des Werkstücks oder bestimmter Komponenten der Drehmaschine führen. Die Richtung des ablaufenden Spans, die Bruchentfernung vom Werkstück und auch die Spanlänge gilt es im Sinne optimaler Werkstückoberflächen zu beeinflussen. Die naheliegenste Methode besteht darin, durch die Formgebung des Werkzeugs das ablaufende Material in Richtung und Dicke zu beeinflussen. Es existiert bislang keine theoretisch fundierte Methode der Optimierung dieser Werkzeuggeometrie.

Modellierung des Zerspanprozesses

Ein möglicher Ansatz ist die Modellierung des Zerspanprozesses, genauer, der dabei auftretenden Kräfte, und deren Abhängigkeit von der Geometrie des angreifenden Werkzeugs. In der mathematischen Sprache bedeutet dies, dass ein System von Differentialgleichungen mit vorgegebenen Zwangsbedingungen für die zeit- und ortsveränderlichen Kräfte zu finden ist. In dieses System müssen die interessierenden Größen, wie Spanlänge usw. als Parameter eingehen. Die letzte Stufe besteht darin, die gewünschten Spaneigenschaften vorzugeben und die Geometrie diesbezüglich zu optimieren, d.h. man sucht nach einem Parametersatz, für den das gegebene System "Drehen" die gewünschten Spaneigenschaften produziert.


Fig. 1: Geschwindigkeiten und Kräfte beim Drehprozess


Diese Modellierung des Zerspanprozesses kann einerseits auf direktem Wege, etwa durch das Aufstellen der thermodynamischen und statistischen Zustandsgleichungen erfolgen, andererseits kann man aber auch versuchen, aufgrund der gemessenen Prozesswirkungen, wie etwa Kräfte oder Schallemissionen, ein Modell zu rekonstruieren, d.h. den inversen Zugang wählen. Das Problem beim direkten Zugang ist die ausserordentliche Komplexität der wirkenden physiklischen Gesetzmäßigkeiten, die oftmals in den Bereich molekularer Abmessungen hineinreichen und der zumeist unbekannten Randbedingungen. Deshalb erscheint es sinnvoll, den inversen Zugang zu wählen.

Bei der inversen Modellbildung müssen ebenfalls Überlegungen zu den physikalsichen Vorgängen während des Drehprozesses eingehen, um die Klasse der in Frage kommenden Modelle einzuschränken. Zudem ist es nötig, reine Prozesswirkungen von Messeinflüssen zu trennen, was sich durch zugenannte Filter bewerkstelligen läßt.

Ziel ist es, ein Modell aus vorliegenden Schallemissionsdaten zu rekonstruieren, welches zum einen Voraussagen in die Zukunft gestattet und zum anderen auch Parameter enthält, die mit der Geometrie des Werkzeugs in Verbindung zu bringen sind.

Conferences:

  • IASTED International Conference Modelling and Simulation (MS 2002) May 13-15, 2002 Marina Del Rey, CA, USA &
  • NAMRC XXX May 21-24, 2002 * Purdue University * West Lafayette, Indiana

    Links: Metal Cutting, FEM, Manufacturing Engineering, Cutting

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