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Ausgewählte Ausgabe: 09-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Einfluss dynamischer Prozesslasten auf das Betriebs- und Verschleißverhalten

Die bei Zerspanprozessen auftretenden dynamischen Kräfte können zu einer hohen Belastung der gesamten Werkzeugmaschine führen. Insbesondere die Hauptspindelsysteme sowie deren Lagerung sind hohen Spitzenlasten ausgesetzt. Eine Untersuchung dieser Maschinenkomponenten hinsichtlich ihres Betriebs- und Verschleißverhaltens in Bearbeitungsversuchen ist aufgrund hoher Prüfkosten unwirtschaftlich. Weiterhin tritt, bedingt durch den Verschleiß der Werkzeuge, ein instationäres Verhalten über dem Versuchszeitraum auf.


Werkzeugmaschine und Versuchsaufbau: Schnittkräfte eines realen Zerspanprozesses können im Versuch mit einem Piezoaktor erzeugt und in eine Hauptspindel eingeleitet werden.

Werkzeugmaschine und Versuchsaufbau: Schnittkräfte eines realen Zerspanprozesses können im Versuch mit einem Piezoaktor erzeugt und in eine Hauptspindel eingeleitet werden.

Um die Einflüsse der dynamischen Prozesslasten auf das Betriebs- und Verschleißverhalten von Maschinenkomponenten zu analysieren, ist eine Untersuchung unter realen Prozessbedingungen im Prüfbetrieb unabdingbar. Ziel soll es deshalb sein, definierte Kräfte in eine rotierende Spindelwelle über große Versuchszeiträume einzuleiten. Dieses Vorgehen erlaubt – aufbauend auf bisherige Untersuchungen unter rein statischen Lasten – präzisere Aussagen über das Verhalten von Spindeln sowie deren Komponenten unter dynamischen Lasten.

Ausgangssituation

Bekannte Arbeiten thematisieren die Einleitung harmonischer, dynamischer Kräfte in rotierende Wellen, vernachlässigen jedoch breitbandige, prozessähnliche Kraftspektren [1;2]. Weitergehende Untersuchungen zur Wirkung dynamischer Lasten auf das Betriebs- und Verschleißverhalten einzelner Wälzlager mit harmonischer Anregung werden in [3;4] beschrieben. Erste Ansätze zur experimentellen Untersuchung des dynamischen Spindelverhaltens, insbesondere die sich einstellenden Lagereigenschaften während realer Fräsprozesse, werden in [5] vorgestellt. Die systematische Untersuchung von Spindeln unter realen, dynamischen Lagerlasten ist noch nicht Stand der Forschung.
Vorgestellt wird ein Verfahren, welches die Einleitung von realitätsnahen Prozesskräften in eine Werkzeugmaschinenhauptspindel zulässt. Zu diesem Zweck werden zunächst die charakteristischen Prozesskräfte erfasst und analysiert. Für den Anwendungsfall werden Schnittkräfte herangezogen, die bei der Fräsbearbeitung entstehen. Die Ergebnisse fließen in die Parametrierung eines piezoelektrischen Aktors ein. Dadurch ist eine Abbildung dynamischer Lasten im Prüfbetrieb möglich. Im Folgenden werden erste Ergebnisse zur Erzeugung realitätsnaher Prozesskräfte Im Prüfbetrieb vorgestellt.

Schnittkraftanalyse

Die Untersuchung sowie die Analyse von Fräskräften bilden die Grundlage für die spätere definierte Belastung einer Struktur. Zur Generierung von Versuchsdaten kamen ein dreischneidiger Schaftfräser sowie ein dreischneidiger Messerkopf im Vollnutschnitt zum Einsatz. In Bild 1 sind die mit einer Kraftmessplattform gemessenen Schnittkraftverläufe für beide Werkzeuge dargestellt.

Bild 1.  Zeitlicher Verlauf der Schnittkräfte für zwei unterschiedliche Werkzeugtypen.

Bild 1.
Zeitlicher Verlauf der Schnittkräfte für zwei unterschiedliche Werkzeugtypen.


Die Abbildung zeigt, dass die Schnittkraftverläufe, insbesondere die dynamischen Kraftamplituden, für die eingesetzten Werkzeuge einen typischen Verlauf haben. Sie dienen als exemplarische Referenz-Schnittkraftverläufe in den weiteren Untersuchungen. Die jeweiligen Kraftsignale müssen in einem weiteren Schritt mathematisch analysiert werden. Die Analyse der aufgezeichneten Daten findet im Frequenzbereich statt. Zu diesem Zweck wird das Zeitsignal mithilfe der „Fast-Fourier-Transformation“ in den Frequenzbereich transformiert. Diese Betrachtung erlaubt eine Detektion der dominanten Signalanteile im Gesamtsignal.

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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

M. Sc. Dennis Rempel

Jahrgang 1992, studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der RWTH Aachen. Seit 2017 ist  er  wissenschaftlicher  Mitarbeiter  in  der  Abteilung Maschinentechnik des WZL.

Dipl.-Ing. Hans-Martin Eckel

Jahrgang 1989, studierte Maschinenbau an der RWTH  Aachen. Seit 2016 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Maschinentechnik des WZL.

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.

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