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Ausgewählte Ausgabe: 03-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Auslegung einer universell ausrichtbaren Mehrmassendämpfer-Aufnahme

Design of a Universally Adjustable Multi-Mass Damper Mount


Inhalt: Bei spanenden Werkzeugmaschinen gilt es, während der Bearbeitung auftretende kritische Schwingungen möglichst zu vermeiden. Hierzu können passive dynamische Zusatzsysteme wie Hilfsmassendämpfer eingesetzt werden, um kritische Resonanzen gezielt zu bedämpfen. Im Rahmen eines Forschungsprojektes wurde das Konzept eines Mehrmassendämpfers mit vielen Einzelmassen entwickelt und praktisch verifiziert. Dafür war die Entwicklung einer Aufnahme nötig, die eine Ausrichtbarkeit der Dämpfer in die gewünschte Wirkrichtung bei einfacher Montage ermöglicht und gleichzeitig eine hohe dynamische Steifigkeit bei geringem Eigengewicht aufweist. Dieser Beitrag soll den durch FEM-Simulationen gestützten Entwicklungsprozess dieser Aufnahme unter den hohen dynamischen Anforderungen vorstellen.
Abstract: In chip-removing machine tools, critical vibrations during machining are to be avoided as much as possible. To this end, passive dynamic auxiliary systems like tuned mass dampers can be used to specifically dampen critical resonances. Within a research project, the concept of a multi-mass damper was developed and experimentally verified. Thus, a mount had to be designed which allows to adjust the angle of the dampers in the desired effective direction whilst being easy to attach. Additionally, it should combine a high dynamic stiffness with a low self-weight. This article presents the FEA- assisted development process of this mount under the stringent dynamic requirements.

1 Einleitung

Dynamische Anregungen durch Bearbeitungsprozesse führen bei spanenden Werkzeugmaschinen zu ungewollten Schwingungen. Diese selbst- oder fremderregten Schwingungen sind oftmals Ursache für Prozessinstabilitäten und begrenzen das Leistungsvermögen von Werkzeugmaschinen. Weitere Folgen der Instabilitäten können u.a. schlechte Oberflächenqualitäten des zu bearbeitenden Werkstücks bis hin zu Schäden am Werkstück, Werkzeug oder der Maschinenstruktur sein.

Bild 1 Rendering der mit 30 Massen bestückten Mehrmassendämpfer-Aufnahme

Bild 1
Rendering der mit 30 Massen bestückten Mehrmassendämpfer-Aufnahme


Werden diese Prozessinstabilitäten bereits bei der Konstruktion von Werkzeugmaschinen vorhergesehen, können durch konstruktive Veränderungen der Maschinenstruktur Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Für diese konstruktiven Optimierungen werden häufig Optimierungsverfahren wie die Topologieoptimierung eingesetzt, um den Zielkonflikt der Steigerung von dynamischen Steifigkeiten bei möglichst geringen bewegten Massen zu lösen.
Treten bei vorhandenen Werkzeugmaschinen unvorhergesehene Schwingungen auf, bieten dynamische Zusatzsysteme die Möglichkeit, durch verschiedene Wirkungsweisen Resonanzfrequenzen in unkritische Frequenzbereiche zu verschieben und zu bedämpfen oder auch fast vollständig zu unterdrücken. Solche dynamischen Zusatzsysteme können grundlegend in passive und aktive Systeme gegliedert werden [1].

1.1 Dynamische Zusatzsysteme

Die teuren und aufwendig zu konfigurierenden, aktiven Zusatzsysteme erreichen durch Variation von Stell-größen und Erfassung der Kennwerte des Grundsystems in einem Regelkreis einen höheren Einflussbereich im Frequenzspektrum als die passiven Zusatzsysteme und können auf Änderungen des dynamischen Verhaltens der Maschine, beispielsweise durch verschiedene Achspositionen oder Werkstückgewichte, reagieren. Nachteilig sind die verhältnismäßig hohen Anschaffungs-, Wartungs- und Folgekosten aktiver Systeme.
Passive, dynamische Zusatzsysteme werden üblicherweise auf eine bestimmte Frequenz hin ausgelegt und verlieren stark an Wirkung, wenn sich die Resonanzfrequenzen des Grundsystems verändern. Ein oft verwendetes passives Zusatzsystem ist der Hilfsmassendämpfer (HMD), der durch die Kopplung einer Hilfsmasse über Feder-Dämpfer-Elemente an die Maschinenstruktur eine Resonanzstelle in zwei stärker gedämpfte Resonanzen aufteilt. Durch die zusätzliche Masse verschiebt sich die ursprüngliche Resonanzfrequenz nach unten, außerdem entsteht eine weitere Resonanzfrequenz oberhalb der Ausgangsresonanzfrequenz, in der das Grundsystem und der Hilfsmassendämpfer gegenphasig schwingen.

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Autoren

Prof. Dr.-Ing.  Christian Brecher

Jahrgang 1969, ist Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am  Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen sowie Direktor und Leiter der Abteilung Produktionsmaschinen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT.

Werkzeugmaschinenlabor RWTH-Aachen WZL
Steinbachstraße 19
52074 Aachen
www.wzl.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. Simo Schmidt

Wissensch. Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Dr..-Ing. Marcel Fey

Jahrgang 1982, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und war im Anschluss wissenschaftlicher Mitarbeiter am WZL. Seit 2014 leitet er als Oberingenieur die Abteilung Maschinentechnik am WZL, wo er 2016 promovierte.