Adaptive Simulation optimiert das HSC-Fräsen

Potenziale zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung von Freiformflächen, wie sie vor allem im Werkzeug-, Formen- und Modellbau anzutreffen sind, bietet die simulationsgestützte...

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Potenziale zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit bei der Fertigung von Freiformflächen, wie sie vor allem im Werkzeug-, Formen- und Modellbau anzutreffen sind, bietet die simulationsgestützte Prozessoptimierung. Während bei Teilen mit überwiegend regelgeometrischer Gestalt der Rechnereinsatz entlang der Prozesskette heutzutage möglich ist, treten beim Herstellen von Freiformflächen noch einige Mängel auf. Durch entsprechende adaptive Simulationsmodelle können diese Mängel beseitigt werden.Die Fähigkeit der Unternehmen, ihre Produkte im internationalen Vergleich zu konkurrenzfähigen Preisen anbieten zu können, ist für das gesamte produzierende Gewerbe von existentieller Bedeutung. Gerade der Werkzeug-, Formen- und Modellbau, der im Allgemeinen durch einen hohen Anteil an Einzelteil- und Kleinserienfertigung gekennzeichnet ist, steht wegen immer kürzerer Produktzykluszeiten und wachsender Variantenvielfalt unter dem Zwang, die Durchlaufzeiten für die Formherstellung zu reduzieren. Das Verkürzen der Prozesskette von der Produktidee bis zum fertigen Abformwerkzeug bei gleichzeitiger Verbesserung der Genauigkeit und Prozesssicherheit ist daher seit Jahren zentrales Thema im Werkzeug-, Formen- und Modellbau [1 und 2]. Die derzeitigen Innovationen und Entwicklungen im Bereich des Werkzeug-, Formen- und Modellbaus sind sowohl auf der rein technologischen als auch auf der informationstechnischen Seite zu finden. So ermöglichen neue Verfahren, wie das Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC-Fräsen), erst durch die Entwicklungen von neuen Werkzeugmaschinen mit ihren Komponenten von der Spindel über die Achsantriebe bis hin zur Steuerung sowie neue Schneidstoffe und Beschichtungen das Erreichen immer kürzerer Fertigungszeiten [3]. Die wichtigsten Aspekte neuer Verfahren sind die Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und kommerzielle Verfügbarkeit. Die Fertigungszeit verschiedener Verfahren kann deshalb nur in der Summe aller Schritte verglichen werden, die zur Erzeugung eines Produktes notwendig sind. Ein wichtiger Trend bei der Herstellung komplexer Werkzeuge und Formen ist die Substitution des Erodierens durch direktes HSC-Hartfräsen, weil dadurch deutliche Produktivitätsgewinne zu erzielen sind. Dabei steht zum einen die Einsparung von Fertigungszeit, zum anderen eine wesentlich größere Flexibilität der Prozesskette im Vordergrund [3]. Zwingend notwendig für den erfolgreichen Einsatz sind moderne CAD/CAM-Systeme, die spezielle Methoden und optimale NC-Strategien für die Bearbeitung von Freiformgeometrien und die HSC-Technologie beinhalten [4]. Bedingt durch die oftmals schmalen engen Gravuren und die daher notwendigen schlanken Fräswerkzeuge bei der Bearbeitung von Freiformflächen sind dreiachsige Fräsmaschinen hinsichtlich der Prozesssicherheit ein Risikofaktor, da aufgrund von ständig wechselnden Eingriffsbedingungen die Prozesskräfte sehr stark schwanken und somit ein Werkzeugbruch auftreten kann. Eine mögliche Lösung dieses Problems bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Wirtschaftlichkeit ist der Einsatz von Online-Regelungssystemen, die in Abhängigkeit von den auftretenden Prozesskräften den Vorschub anpassen. Wegen der ständig mit hoher Geschwindigkeit wechselnden Eingriffsbedingungen kann eine ACC- oder ACO-Regelung nicht schnell genug reagieren, um die Bearbeitungsparameter wie den Vorschub optimal anzupassen.Die Prozesssicherheit des Fräsprozesses wird dabei nicht nur durch das aktuelle Zerspanvolumen bestimmt, sondern hängt von vielen zusätzlichen Einflussgrößen ab. Eine schnelle und genaue Vorausberechnung der tatsächlichen Eingriffsverhältnisse bildet die Grundlage für eine Prozessoptimierung (Bild 1). Zur Offline-Optimierung kann eine Vorschubanpassung durch Simulation des Fräsprozesses unter Berücksichtigung der Eingriffsbedingungen, der Werkstoffbeschaffenheit, der Werkzeuggeometrie und der Eigendynamik der Maschine die Geschwindigkeit für eine fräserschonende Bearbeitung schon vor Erreichen einer erhöhten Belastung gewährleisten, somit die Prozesssicherheit erheblich steigern und eine mannlose Bearbeitung ermöglichen. Eine technologische Simulation mit hinreichend genauer und vor allem schneller Vorhersage der notwendigen Vorschubgeschwindigkeit ist am Institut für Spanende Fertigung entwickelt worden [5 und 6]. Simulation und Realität stimmen nahezu übereinSchon lange sind Simulationswerkzeuge und der damit verbundene Rechnereinsatz Standardwerkzeuge in der industriellen Praxis geworden. Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Rechner-Hardware und die Entstehung von leistungsfähigen Algorithmen in der Informatik haben den Einzug von Simulationssystemen mit technischen Zielsetzungen in die Anwendungsfelder der Ingenieurwissenschaften maßgeblich begünstigt. Der Simulationsgedanke ist keinesfalls neu, aber die Möglichkeit, komplexe Prozesse hinreichend genau abzubilden, um ausgewählte technologische Eigenschaften der Realität zu optimieren, ist häufig erst heute wirtschaftlich nutzbar. Die interdisziplinäre Zusammenarbeit von Zerspanungstechnologen und Informatikern bildet dabei die Basis für die gewünschten Resultate.Die vorgestellte Simulation gibt dem Benutzer ein Werkzeug an die Hand, mit dem es möglich ist, den Fräsprozess vor Bearbeitungsbeginn auf dem PC zu simulieren und so wichtige Informationen vor der eigentlichen Prozessführung zu erhalten und den Prozess technologisch zu optimieren. Es ist eine effiziente Online-Visualisierung des dreiachsigen Fräsens von Freiformflächen entwickelt worden, die hochwertige Bilder der zu fertigenden Oberflächengestalt vor der eigentlichen Fertigung zur Verfügung stellen. Die erreichte Bildqualität entspricht nahezu dem der realen Werkstücke. Eine Zoomfunktion zur vergrößerten Darstellung sowie die Möglichkeit einer Farbdarstellung für unterschiedliche Bearbeitungsschritte ermöglichen die Inspektion auch kleinster Details und das Auffinden von Bearbeitungslücken und-fehlern. Dadurch können kostenintensive Probefräsvorgänge eingespart werden.Antialias-Technik steigert die EffizienzDie Übertragung der Antialias-Technik aus der Computergrafik in den 3D-Raum der Frässimulation gewährleistet einen noch effizienteren Einsatz der Simulationstechnologie. Der entwickelte Algorithmus reduziert signifikant die Diskretisierungsfehler für das virtuelle Verfahren der Werkzeuge in der Simulation bei gleichzeitiger Reduzierung des Simulationsaufwandes. Als Ergebnis entstehen geometrisch und optisch bessere Oberflächen, die eine noch größere Überdeckung mit der Realität aufweisen (Bild 3).Zur Erstellung einer adaptiven Simulation des dreiachsigen Fräsens von Freiformflächen ist ein neues Bewertungsverfahren entwickelt worden, das durch die Aufbereitung von Eingriffsinformationen, die bisher nur schwer oder überhaupt nicht verfügbar waren, mehr Transparenz in die Prozesstechnologie bringt. Es ist ein Online-System entstanden, das nach einer Adaptionsphase für beliebige Werkzeug-Werkstück-Kombinationen die Einstellungen der Simulationsparameter selbstständig vornimmt und hinsichtlich der Prozesssicherheit automatisch optimale Vorschubwerte errechnet (Bild 4).Zur systematischen Analyse der Einflussgrößen sind Methoden der statistischen Versuchsplanung eingesetzt worden. Es hat sich gezeigt, dass die Zerspankraft in Abhängigkeit von den in der Simulation vorgenommenen Abstrahierungen hinreichend gut nachgebildet wird, um eine adaptive Simulation zu realisieren. Bei der Erstellung der adaptiven Simulation ist die Art der Bewertung von technologischen Einflussgrößen verbessert worden. Bei Abweichung zwischen der realen und der maximal für das Werkzeug zulässigen Zerspankraft wird eine spezielle Lernstruktur aufgebaut. Das Korrigieren der Parameter läuft nach dem Prinzip des ,,simulated anneling" ab: Nach jeder Änderung wird der mögliche Änderungsgrad reduziert, damit zum Anfang eine schnelle Anpassung möglich ist und mit fortschreitender Bearbeitung die gesammelten Erfahrungen nicht wieder verloren gehen. Anhand eines Testwerkstücks sind die Auswirkungen der ,,adaptiven Simulation" auf die beim Fräsen auftretenden Kraftspitzen untersucht worden. Die Schruppbearbeitung wurde als Taschenfräsen mit einem 8-mm-Kugelfräser ausgeführt. Die maximal zulässige Fräskraft ist auf 225 N festgelegt. Für die Schruppbearbeitung nähern sich die Spitzen der Bearbeitungskräfte dem angegebenen Grenzwert (Bild 5). Durch die adaptive Frässimulation kann der Vorschub selbstständig so angepasst werden, dass die Zerspankräfte die maximal zulässigen Kräfte nicht überschreiten. Das Risiko eines Fräserbruchs ist dadurch deutlich minimiert und das bedeutet eine erhöhte Prozesssicherheit. Aufmaßorientierte NachbearbeitungDie hier vorgestellten Verfahren und Algorithmen schließen einen informationstechnischen Kreis, der es ermöglicht, die fertigungstechnisch anspruchsvolle Aufgabe der aufmaßorientierten Nachbearbeitung vollständig rechnergestützt zu durchlaufen. In den Phasen der Formerstellung oder der Reparatur von Werkzeugen besteht häufig die Notwendigkeit einer teilweisen Nachbearbeitung. Das Auftragen von Stahl in einer Form erfolgt im Allgemeinen durch manuelles Schweißen. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt in der Erzeugung von unregelmäßigen Aufmaßen. Anschließend wird die dabei entstandene Oberfläche durch Fräsen oder Erodieren in die gewünschte Gestalt überführt. Durch die Kombination aus Digitalisieren, Aufmaßberechnung und angepasster Nachbearbeitung durch Fräsen entsteht ein wirtschaftliches Verfahren für den Reparaturfall von Formen und Gesenken. Die Praxistauglichkeit der entwickelten Verfahren wird im Folgenden an einem realen Gesenk zur Erstellung von Schmiedeteilen im Getriebebau demonstriert. Der Facharbeiter ist bestrebt, an den angegebenen Stellen den geforderten Materialauftrag nicht wesentlich zu überschreiten, damit die anschließende Fräs- oder Erodierbearbeitung möglichst effizient gestaltet wird. Aufgrund des hohen Kosten- und Zeitaufwandes für den gesamten Schweißprozess besteht die höchste Priorität darin unter keinen Umständen ein Untermaß zu erzeugen, denn damit wird ein erneutes Schweißen notwendig. In einem Digitalisierprozess wird zunächst die tatsächliche Ist-Geometrie der geschweißten Oberflächen aufgenommen. Dabei ist es grundsätzlich unerheblich, mit welchem Digitalisierverfahren die Oberflächenstruktur erfasst wird.Schnelligkeit geht zu Lasten der GenauigkeitDie Auswahl des Digitalisierverfahrens hängt im Wesentlichen von der Qualität der Daten und der Aufnahmegeschwindigkeit selbst ab. Unter Berücksichtigung der verfahrensspezifischen Genauigkeitsanforderungen ist ein schnelleres Verfahren, zum Beispiel die bildgebenden Verfahren mit CCD-Kameras, unter Akzeptanz der schlechteren Genauigkeit sinnvoll.Mit dem Analyseverfahren wird ein Soll-Ist-Vergleich durchgeführt. Das Ergebnis der Vergleichsoperation wird mit dem Visualisierungsalgorithmus der Frässimulation dargestellt. Die Oberfläche ist mit drei Grauschattierungen gekennzeichnet. Dieses ermöglicht das schnelle Detektieren von Untermaßen (Bild 6). Die aufgeschweißte Oberfläche erfüllt aufgrund der Untermaße nicht die an sie gestellten Anforderungen. In der Praxis wird an dieser Stelle das Schweißen fortgesetzt. Hier stellt dieser Fehler eine ungewollte, aber sinnvolle Eigenschaft zur Überprüfung der erreichbaren Genauigkeit dar. Das anschließende Fräsen in der Simulation und im Realen lässt die Überdeckung zwischen Theorie und Praxis erkennen und unterstreicht die Präzision des Verfahrens.Anhand der Aufmaßinformationen aus dem Soll-Ist-Vergleich erfolgt die NC-Bahngenerierung mit Hilfe eines handelsüblichen CAM-Systems auf den originalen CAD-Daten. Die Ist-Oberfläche aus dem Digitalisierprozess bildet die Basis für die simulationsgestützte Leerwegoptimierung und Vorschubanpassung. Findet kein Materialabtrag statt, kann an dieser Position mit Eilganggeschwindigkeit verfahren werden. Zur Berücksichtigung der Genauigkeitsverluste durch Toleranzen in der Fräsbahnerstellung und Datenaufnahme ist eine Vorgabe eines Sicherheitsaufmaßes notwendig, das heißt, für die Simulation sind NC-Bahnen im Nahbereich des Materials im Arbeitsvorschub zu verfahren, damit keine Spanabhebung mit Eilganggeschwindigkeit stattfindet. Für die NC-Bahnen mit Materialabtrag findet eine Vorschubanpassung durch Simulation statt. In Bild 7 ist das Werkstück nach der Schruppbearbeitung zu sehen. Die drei Teilvergrößerungen bestätigen die Ergebnisse des Soll-Ist-Vergleiches. An den schwarz gekennzeichneten Stellen in Bild 7 besteht ein Untermaß. Die weitere Bearbeitung ist ohne ein erneutes Auftragen durch Schweißen nicht sinnvoll.Literatur:[1] Klinger, M., H.-P. Boost: Höhere Produktivität im Werkzeug- und Formenbau. Werkstatt und Betrieb 5/1998.[2] Weinert, K., F. Albersmann und G. Guntermann: Werkzeug-, Formen- und Modellbau heute - Grenzen und Potentiale. In: 3D-Erfahrungsforum Werkzeug- und Formenbau. Dortmund: Institut für Spanende Fertigung der Universität Dortmund, ISBN3-00-003411-0.[3] Enselmann, A.: HSC-Hartfräsen von Formen und Gesenken - Technologie, Wirtschaftlichkeit, Optimierung. Essen: Vulkan-Verlag 1999.[4] Schulz, H., und J. Geist: HSC-Appropriate NC-Programming in Die and Mold Manufacturing, Machining Impossible Shapes, IFIP TC5 WG5.3. International Conference on Sculptured Surface Machining (SSM98), 9. bis 11. November 1998. Chrysler Technology Center, Michigan/ USA. [5] Weinert, K., F. Albersmann und G. Guntermann: Milling Simulation with an adaptive Strategy, Machining Impossible Shapes, IFIP TC5 WG5.3. International Conference on Sculptured Surface Machining (SSM98), 9. bis 11. November 1998. Chrysler Technology Center, Michigan/USA.[6] Weinert, K., F. Albersmann, und A. Zabel: Verbesserung der Prozesssicherheit beim HSC-Hartfräsen durch eine adaptive Simulation und effiziente Online-Visualisierung, VDI-Z Integrierte Produktion 6/1998.