Erzeugung definierter Oberflächenstrukturen durch gezielt hervorgerufene regenerative Werkzeugschwingungen für das Fräsen von Freiformflächen (SFB/TR73 – TP B3)

Das Fräsen von Formwerkzeugen, sowohl für die Blech- als auch für die Massivumformung, hat sich durch die Entwicklung besserer Maschinen, Werkzeuge und Schneidstoffe gegenüber dem alternativen Verfahren des Erodierens als vorteilhaft durchgesetzt. Neben der kürzeren Hauptzeit und der wesentlich besseren Oberflächenqualität steht die Flexibilität des Fräsprozesses im Vordergrund. Bereits gefertigte Formen können relativ einfach verändert oder nachgesetzt werden. Gerade bei einer geringen Stückzahl zu fertigender Formwerkzeuge ist das Fräsen ein sehr effizienter Prozess. Dieses Teilprojekt beschäftigt sich mit der Erstellung der Formwerkzeuge für die im Transregio 73 zu erforschende Blechmassivumformung. Durch die komplexen Wirkzusammenhänge zwischen Werkzeugform, Werkstoffverhalten und Oberflächenbeschaffenheit kommt der Herstellung von prozessfähigen Formwerkzeugen eine besondere Bedeutung zu. Neben der eigentlichen geometrischen Form des Werkzeugs und der dynamischen Prozesskräfte soll der Materialfluss während des Umformprozesses durch gezielte Oberflächenstrukturierung auf dem Formwerkzeug gesteuert bzw. optimiert werden.

Das Aufbringen von Strukturen auf Umformwerkzeuge wird bislang mit unterschiedlichen Methoden geometrisch bestimmt oder unbestimmt als zusätzlicher Bearbeitungsschritt durchgeführt. Das Fräsen erzeugt aber durch den unterbrochenen Schnitt, den diskreten Bahnabstand und durch Werkzeugschwingungen von sich aus bereits eine Oberflächenstruktur. Daher ist es Ziel des Projektes, aufbauend auf einer bestehenden Simulation, ein Softwaresystem zu entwickeln, mit dem sich die einstellbaren Prozessparameter für die Fräsbearbeitung von Freiformflächen bei einem gegebenen NC-Programm so ermitteln lassen, dass sich eine vorher definierte Oberflächenrauheit bzw. -struktur ergibt [1]. Die dabei gezielt erzeugten regenerativen Ratterschwingungen ermöglichen ein breiteres Spektrum von Strukturen. Hierdurch soll die Oberflächenstruktur als konstruktives Element auch für das Fräsen von Freiformflächen erschlossen werden. Zum Einsatz kommen sollen dabei lang auskragende Werkzeuge unterschiedlicher Ausführungen. Über die Auskraglänge und den Durchmesser können ihre modalen Parameter innerhalb eines gewissen Intervalls eingestellt werden, so dass sich bei den gewählten Prozessparametern Zustellung, Drehzahl und Form der Kontaktsituation ein definiertes Schwingungsmuster ausbildet. Das dynamische Prozessverhalten und damit die erzeugte Oberflächenstruktur reagiert jedoch besonders im Grenzbereich zwischen zwei Prozesszuständen (ratterfrei und ratternd) sehr stark auf kleine Änderungen der Prozessparameter. Reale Fräsversuche zur Einstellung dieser Parameter im Hinblick auf eine gewünschte Oberflächenstruktur können daher sehr zeit- und kostenaufwendig sein. Deshalb soll die Prozessparameterwahl im fertigen System über die Frässimulation geschehen. Hier kann die Auswirkung unterschiedlichster Prozessparametereinstellungen auf die Oberflächenqualität ohne hohen Aufwand erfolgen.

Ein weiteres Ziel besteht darin in Erfahrung zu bringen, welche unterschiedlichen Arten von Strukturen überhaupt durch den dynamischen Fräsprozess und durch die Wahl der Werkzeugtypen möglich sind. In bisherigen Untersuchungen wurde bereits gezeigt, dass sowohl mit der Simulation als auch im realen Prozess sehr unterschiedliche Strukturen erzeugt werden können. Die simulierten und real gefrästen Oberflächen haben bei gleichen Prozessparametern häufig qualitativ große Ähnlichkeit. Dies konnte für ein breites Spektrum von Werkstoffen wie Aluminium (EN AW 7075), Messing, Vergütungsstahl (C45E) [2] oder gehärteten Schnellarbeitsstahl (1.3343) nachgewiesen werden.

Die Oberflächenkennwerte bzw. die topografischen Eigenschaften sollen durch die zur Verfügung stehenden wählbaren Prozessparameter gezielt beeinflusst werden. Dieses kann zunächst qualitativ für konstante Eingriffssituationen durch Simulation erfolgen, wobei die Ergebnisse anhand realer Versuche validiert werden sollen. Die erzielbaren Oberflächenstrukturen sollen nach Ähnlichkeit geordnet und so in eine Art Palette aufgenommen werden, die jeder topologischen Oberflächencharakteristik die entsprechenden Prozessparameter zuordnet, mit Hilfe derer sie gefertigt werden kann. Dieser Strukturenkatalog kann von anderen Teilprojekten im Transregio 73 genutzt werden, um beispielsweise tribologische Parameter mit neuen Simulationsansätzen zu ermitteln [3].

Regenerative Ratterschwingungen gelten bislang als unerwünscht, da sie durch relativ hohe Schwingungsamplituden und teilweise im Vergleich zur Zahneingriffsfrequenz hohe Frequenzen schädigend auf das Spindelsystem und die Werkzeugschneiden wirken. Daher besteht ein weiteres Ziel darin, Wissen bezüglich der Standzeit unterschiedlicher Fräswerkzeuge im ratternden Prozess zu erlangen. Versuche zeigen, dass es möglich ist, selbst größere Flächen (100 mm × 70 mm) ohne signifikanten Verschleiß des Fräswerkzeugs mit einer sehr gleichmäßigen Struktur zu versehen. Nur in der Einlaufphase des Werkzeugs wurden dabei leichte Unregelmäßigkeiten beobachtet.

Abb. 1: Vergleich von simulierten (oben) und realen (unten) Oberflächenstrukturen, Werkstoff Stahl (C45E), Bildausschnitt 0,28 mm × 0,28 mm

Nach Erreichen der beschriebenen Ziele können die Erfahrungen genutzt werden, um das System auch für die Freiformflächenbearbeitung nutzbar zu machen. Zum Abschluss des Vorhabens soll es möglich sein, durch Simulation die Prozessparameter des Fräsprozesses zur Erzeugung eines Umformwerkzeugs für die Blechmassivumformung im Vorfeld der realen Bearbeitung zu ermitteln, so dass der reale Fräsprozess direkt die geforderten Oberflächenqualitäten auf der Werkstückoberfläche hinterlässt.

Literatur

[1]
Biermann, D.; Surmann, T.: Surface Structuring by Milling with Intentionally Invoked Chatter. Proceedings of the CIRP 2nd International Conference Process Machine Interactions, 10.6.-11.6. 2010, Vancouver, BC, Canada, ISBN 978-0-9866331-0-2, digital veröffentlicht
[2]
Biermann, D. et al.: Creating Functional Surface Structures by Milling using Self-Excited Tool Vibrations. Proceedings ASPE 2011 Spring Topical Meeting – Structured and Freeform
Sufaces, 6.3.-8.3. 2011, Charlotte, North Carolina, USA, ISBN 978-1-887706-57-5, S. 55-58
[3]
Biermann, D. et al.: Akquise von heuristischem Wissen für die Prädiktion von Oberflächenstrukturen beim Fräsen mit regenerativen Werkzeugschwingungen. 1. Workshop Blechmassivumformung, Tagungsband, 13.10.-13.10. 2011, Erlangen, M. Merklein, Fr.-W. Bach, A. E. Tekkaya (Hrsg.), ISBN 978-3-87525-321-4, S. 77-96

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