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Ausgewählte Ausgabe: 05-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Analyse von Fräswerkzeugen zur Steigerung der Prozessstabilität

Die Fräsbearbeitung von Integral-Bauteilen aus schwer zerspanbaren Hochleistungswerkstoffen ist sehr anspruchsvoll: Beispielsweise können die dynamische Anregung durch den Werkzeugeingriff sowie die statische Werkstückauslenkung aufgrund von Fräskräften zu Schwingungen im Prozess führen. Als Folgen sind mangelhafte Bauteiloberflächen, eine nur kurze Lebensdauer von Werkzeugen oder eine hohe Ausschussrate möglich. Das kann häufig nur durch eine zeit- und ressourcenintensive Prozessoptimierung mittels des Versuch-und-Irrtum-Prinzips oder eine erfahrungsbasierte Auslegung vermieden werden. Vor diesem Hintergrund ist die Steigerung der dynamischen Prozessstabilität besonders wichtig.


Bild 1.  Aufbau des Fräsdynamikprüfstands zur Ermittlung der Prozessstabilität.

Bild 1.
Aufbau des Fräsdynamikprüfstands zur Ermittlung der Prozessstabilität.

Komplexe und zum Teil dünnwandige Integral-Bauteile aus schwer zerspanbaren Hochleistungswerkstoffen gewinnen in einer Vielzahl von Industriesektoren, die hohes Wachstumspotential bieten, immer mehr an Bedeutung. Insbesondere die zukunftsrelevante Energie- und auch Luftfahrtindustrie [1;2] werden aufgrund globaler Klimaschutzziele und stetig zunehmender Vorgaben bezüglich der Energie- und Ressourceneffizienz zur Entwicklung immer effizienterer und emissionsärmerer Turbomaschinen – und somit auch den dabei verwendeten Bauteilen – gezwungen. Für die Fräsbearbeitung, die für die flexible und wirtschaftliche Herstellung solcher Bauteile eine Schlüsselrolle einnimmt, bedeutet dies immense prozesstechnologische Herausforderungen.

Ausgangssituation

Zur Erhöhung der Prozessstabilität bei der Fräsbearbeitung sind verschiedene Verbesserungsmaßnahmen bekannt. Sie fokussieren sich hauptsächlich auf die Maschinenstruktur oder auf den Zerspanungsprozess [3;4]. Eine Möglichkeit besteht in der Anpassung der Werkzeugtechnik. Dabei können beispielsweise entsprechend der Bearbeitungsaufgabe die Mikro- und die Makrogeometrie des Werkzeugs angepasst werden.
Um den Einfluss modifizierter Fräswerkzeuge auf die Prozessstabilität anwendungsnah zu ermitteln und zu bewerten, wurde ein standardisierter Fräsdynamikprüfstand entwickelt, Bild 1. Mit diesem können unterschiedliche Werkzeuge systematisch, reproduzierbar und ressourceneffizient analysiert werden. Die Entwicklung des Fräsdynamikprüfstands wurde in einer Zusammenarbeit der Walter AG, Tübingen, und des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie, Aachen, in dem von der Europäischen Kommission geförderten EU-Projekt „DynaMill – Dynamic manufacturing of thin-walled workpieces by Milling process“ realisiert. Dem Projektkonsortium gehörten neben den bereits genannten weitere Partner an, beispielsweise die Alstom AG (Standort Birr/CH).
Als Anwendungsfall wurde die Bearbeitung großer dünnwandiger Dampfturbinenschaufeln betrachtet. Mithilfe des Prüfstands sollen wissenschaftliche Erkenntnisse über das Schwingungsverhalten von Zerspanprozessen auf Basis systematischer Analysen gewonnen werden, die für die Auslegung und Optimierungen von Werkzeugen genutzt werden können.

Aufbau des Fräsdynamikprüfstands

Der in Bild 1 dargestellte Prüfstand besteht aus einem unveränderlichen Schwingkörper, auf dem wechselbare Werkstückproben montiert werden, um die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe abzubilden. Der Schwingkörper wird in einen Adapter mit Capto C 8-Schnittstelle gespannt.

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Autoren

Dipl.-Ing. Alexander Schäfer

Jahrgang 1983, ist wissenschaftlicher  Mitar beiter  am  Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen.

Dipl.-Ing. (FH) Steffen Steinfeldt

Jahrgang 1979, ist Senior R&D Professional bei der Walter AG in Tübingen.

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