Spanende Fertigung Leistungspotenzial ausschöpfen

Schnitttiefe und Fräserdrehzahl beeinflussen die Prozessstabilität in der Hochgeschwindigkeitszerspanung.

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Insbesondere in der Luftfahrtbranche, aber auch in anderen Produktionszweigen, werden komplexe Strukturbauteile vielfach aus Vollmaterial herausgearbeitet. Sie unterliegen dabei steigenden Anforderungen bezüglich der Genauigkeit und Oberflächengüte und haben nicht selten Abmaße von mehreren Metern. Bedingt durch die teilweise sehr langen Bearbeitungszeiten lassen sich die Stückkosten solcher Teile durch eine Senkung der Hauptzeit beim Fräsen günstig beeinflussen.

Die erforderliche Produktivitätssteigerung der Zerspanprozesse bedingt dabei die Optimierung der Fräsbahnen und die Erhöhung der Bahngeschwindigkeit bei gleichzeitig hohen Qualitätsanforderungen. Daraus abgeleitet ergeben sich hohe Schnittgeschwindigkeiten und Fräsereintauchtiefen, die zum Betrieb moderner Motorspindeln an deren Drehzahl- und Leistungsgrenzen führen. Die Folge sind hohe mechanische und thermische Belastungen der eingesetzten Spindellager. Treten darüber hinaus Instabilitäten im Zerspanprozess auf, werden diese Belastungen vervielfacht. Unter solchen extremen Einsatzbedingungen kommt es nicht selten zu einer eklatanten Verkürzung der Spindellebensdauer auf Grund von Lagerschäden. Diese Schäden führen zu aufwändigen Instandhaltungsarbeiten, die hohe Stillstands- und Wartungskosten verursachen [1].

Stabilitätskarten bieten eine wertvolle Unterstützung bei der Vermeidung von Prozessinstabilitäten. Eine Stabilitätskarte beschreibt den Zusammenhang zwischen Drehzahl und maximal erreichbarer Schnitttiefe für einen bestimmten Fertigungsprozess und eine spezifische Spindel-/Werkzeug-Konfiguration. Die Kenntnis der Stabilitätskarten ermöglicht dem Fertigungsplaner die effiziente Programmierung optimaler NC-Programme, bei denen unzulässige Belastungen der Werkzeuge und der Hauptspindel vermieden werden. Die Erstellung solcher Stabilitätskarten kann sowohl auf Basis von Zerspanversuchen als auch mit Simulationstools erfolgen. Bei der Optimierung von HSC-Prozessen bildet eine eingehende Untersuchung der eingesetzten Motorspindel die Grundlage für beide Verfahren.

Erkenntnise sind übertragbar auf andere Maschinen

Am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen steht mit der parallelkinematischen Fräsmaschine Hexapod HOH 600 eine Testumgebung zur Verfügung, die es ermöglicht, die Prozessstabilität unter praxisnahen Bedingungen zu untersuchen. Die Maschine bietet mit ihrer hohen statischen und dynamischen Steifigkeit eine solide Basis und beeinflusst die Testergebnisse in hohen Drehzahlbereichen der Motorspindel nur unwesentlich. Bei gängigen HSC-Prozessen sind die Charakteristika der Maschinenstruktur meist von untergeordneter Bedeutung für die Beurteilung der Prozessstabilität, sodass die gewonnenen Erkenntnisse direkt auf andere Produktionsanlagen übertragbar sind.

Eigenschaft der Motorspindel beeinflusst den Prozess

Einen Untersuchungsschwerpunkt bilden die statischen und dynamischen Eigenschaften der Motorspindel. Allgemein wird bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung das Nachgiebigkeitsverhalten des Gesamtsystems hauptsächlich durch das Zusammenspiel von Wälzlagerung, Spindelkörper und Werkzeug bestimmt. Der Rotor des Motors beeinflusst durch seine Masse das Schwingungsverhalten. Die Gestaltung des Spindelgehäuses und seine Anbindung an die Werkzeugmaschine haben bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung in der Regel einen geringen Einfluss auf die Prozessstabilität.Eine Beurteilung des statischen und dynamischen Spindelverhaltens ist auf der Basis gemessener Nachgiebigkeitsfrequenzgänge am Tool Center Point (TCP) möglich [2].

Dabei wird mittels eines Erregersystems (Impulshammer, piezoelektrischer Relativerreger) eine reproduzierbare Last in die Spindelstruktur am TCP eingeleitet. Die Reaktion des TCP auf die eingeleitete Last wird parallel mit Wegaufnehmern oder Beschleunigungssensoren erfasst und zu einem Nachgiebigkeitsfrequenzgang verrechnet. Beispielhaft sind in Bild 2 der Messaufbau und das Ergebnis einer Nachgiebigkeitsuntersuchung dargestellt. Die Nachgiebigkeitsspitzen kennzeichnen Frequenzbereiche, in denen schon geringe, von außen einwirkende Kräfte starke Schwingungen verursachen können. Fällt die in Bild 2 b dargestellte Phasenverschiebung unter -90° ab, so besteht grundsätzlich die Gefahr des Auftretens regenerativer Ratterschwingungen [3].

Diese Schwingungserscheinungen sind durch die Rückkopplung der dynamischen Kräfte und Verlagerungen zwischen Werkzeug und Werkstück zu erklären. Sie werden durch den Prozess selbst erzeugt und aufrechterhalten und nicht von äußeren Krafteinwirkungen verursacht. Das Auftreten von Ratterschwingungen kennzeichnet die Grenze des stabilen Zerspanprozesses. In Abhängigkeit der Fräserdrehzahl variiert die Schnitttiefe, die ohne das Auftreten von Ratterschwingungen eingestellt werden kann. Die Darstellung der erreichbaren, prozessstabilen Schnitttiefen über der Fräserdrehzahl wird als Stabilitätskarte bezeichnet. In Nutenfräsversuchen können Stabilitätskarten für unterschiedliche Werkzeuge bei systematischer Variation der Drehzahl und der Schnitttiefe experimentell ermittelt werden.

Bild 3 zeigt die Ergebnisse horizontaler Nutenfräsversuche, wie auch Bild 1 zeigt, und die daraus ermittelte Stabilitätskarte. Die hohe erreichbare Spindeldrehzahl ermöglicht hier einen besonders produktiven Betrieb bei 29 000 min-1 mit einer Zerspanrate von etwa4 l/min.

Leistung des Spindelantriebs wirtschaftlich umsetzen

Der große Nutzen der Stabilitätskarte für die Fertigungsplanung wird im Vergleich deutlich: Bei gleichem Vorschub pro Zahn liegt die erreichbare Zerspanrate bei 27 000 min-1 um fast 70% niedriger. Die Hauptzeit einer Zerspanaufgabe würde sich entsprechend verdreifachen. Nur in Drehzahlbereichen, die eine stabile Bearbeitung mit hoher Zustellung erlauben, kann deshalb die verfügbare Leistung des Spindelantriebs wirtschaftlich umgesetzt werden. Auf der Basis von im Vorfeld ermittelten Nachgiebigkeitsfrequenzgängen können Stabilitätskarten auch rechnerisch ermittelt werden.

Mit der Kenntnis des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens für verschiedene Werkzeugkonfigurationen besteht die Möglichkeit zur simulativen Stabilitätsanalyse. Aufwendige Zerspanversuche können so teilweise entfallen. Das zugrunde liegende Modell wird nachfolgend kurz erläutert. Die Gefahr eines instabilen Prozessverhaltens resultiert grundsätzlich aus dem Zusammenwirken des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens der Maschine beziehungsweise des Spindel-Lager-Systems und des Schnittprozesses. Bei Fräsprozessen bestimmt die Zeitspanne zwischen dem Eingriff zweier Schneiden (Tt) den Phasenwinkel ´. Dieser gibt an, ob die Welligkeit, die die letzte Schneide hinterlassen hat (obere Grenzfläche des Spans), und die Welligkeit, die der momentan im Eingriff befindliche Zahn an der gleichen Stelle erzeugt (untere Grenzfläche des Spans), sich aufheben oder addieren.

Im ungünstigsten Fall mit ´ = 180° wird die Maschinenstruktur über die resultierende starke Spandickenänderung (xd) wieder genau in der Frequenz der bisherigen Schwingung dynamisch angeregt, regeneratives Rattern entsteht [3].In dem Simulationsblock für die Rattersimulation wird im Vorwärtszweig das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten des Spindel-Lager-Systems und im Rückwärtszweig der Zerspanprozess abgebildet. Die Zerspankraft wird von der Spanungsdicke u bestimmt, die sich wiederum aus der aktuellen Auffederung xd sowie der zuvor aufgeschnittenen Oberflächentopographie ergibt. Die Schnittkräfte werden weiterhin vom werkstoffabhängigen Schnittkraftkoeffizienten kcb und von der aktuellen Schnittbreite b bestimmt. Fräsprozesse mit Werkzeugen geringer Schneidenanzahl, wie sie für die HPC-Zerspanung von Aluminium typisch sind, weisen ein stark zeitvariantes Verhalten auf, was eine zeitbasierte Simulation des Zerspanprozesses erfordert. Rechenzeitoptimal analytische Verfahren, zum Beispiel die Stabilitätsanalyse nach Nyquist, können hier nicht angewandt werden [4].Mit Hilfe von Simulationen lässt sich nun die Auswirkung aller relevanten Prozessparameter (wie Werkzeuggeometrie, Lage des Eingriffsbogens, Drehzahl) auf das Stabilitätsverhalten untersuchen.

Die Werkzeuggeometrie und die Lage des Eingriffsbogens unterliegen jedoch meist engen Restriktionen, die sich aus der zu fertigenden Werkstückgeometrie ergeben und folglich nur bedingt für eine Prozessoptimierung geeignet sind. Aus diesem Grund ist häufig nur die Drehzahl als Optimierungsparameter nutzbar. Die Simulationsergebnisse werden wiederum in Form von Stabilitätskarten dargestellt (Bild 5).

Relevante Einflussgrößen können identifiziert werden

Wie in Bild 5 zu sehen ist, ergeben sich bei der Stabilitätssimulation teilweise Abweichungen der Berechnungsergebnisse vom realen Prozessverhalten. Mögliche Ursachen sind dabei die Unkenntnis der genauen dynamischen Schnittkräfte moderner Werkstoffe und Änderungen in der dynamischen Nachgiebigkeit durch Prozesseinflüsse. Diesbezüglich sind noch intensive Forschungsarbeiten notwendig, die am WZL im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Vorhabens durchgeführt werden. Bild 6 zeigt die Schwerpunkte der Forschungsarbeiten.

Die Eingangsgrößen „dynamische Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur“ und „dynamische Schnittkräfte“, die auch als dynamische Nachgiebigkeit des Prozesses interpretiert werden können, werden hier gesondert untersucht. Wie die Abweichungen in den simulierten Stabilitätskarten aufzeigen, ist davon auszugehen, dass das bisher verwendete einfache lineare Kraftmodell bei hohen Ratterfrequenzen nicht mehr zutrifft. Um die Gründe dafür zu untersuchen, wurde ein Prüfstand entworfen, der die hochfrequente Schwingungsanregung einer Werkzeugschneide im Prozess ermöglicht und gleichzeitig mit Messtechnik zur Erfassung der Kraft- und Verlagerungsgrößen ausgestattet ist.

So können die relevanten Einflussgrößen identifiziert, das dynamische Kraftmodell verbessert und die Genauigkeit der Stabilitätskartenberechnung erhöht werden.Mit dem Ziel der Hauptzeitminimierung werden auch zukünftig die Drehzahlen, Antriebsleistungen und -momente von Motorspindeln für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung weiter gesteigert. Um eine hohe Anlagenverfügbarkeit gewährleisten zu können und um große Bearbeitungszentren wirtschaftlich einsetzen zu können, kommt dem prozesssicheren Betrieb der Spindeln bei maximaler Zerspanleistung besondere Bedeutung zu. Bei der zielgerichteten Entwicklung von Hauptspindeln ist die messtechnische Untersuchung des dynamischen Spindelverhaltens von entscheidender Bedeutung.

WeiterentwickelteSoftware soll Zerspanversuche ersetzen

Durch eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Simulationstechnik soll es in Zukunft allerdings auch möglich sein, das dynamische Verhalten einer Motorspindel bereits während der Konstruktionsphase zu bestimmen [5]. Sowohl das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten als auch die stabilen Prozessparameter können dann entsprechend der Zerspanaufgabe im Vorfeld der Produktion optimiert werden. Zeitaufwändige Zerspanversuche lassen sich so nach einem Abgleich der Simulationsmodelle durch die simulative Stabilitätskartenermittlung ersetzen.

Literatur:[1] Brecher, C., und S. Witt.: Static, Dynamic and Thermal Behaviour of Machine Tools with Regard to HPC, in: Conference Proceedings of CIRP International Conference - High Performance Cutting, Aachen 19. und 20.10.2004.[2] Weck, M., und C. Brecher: Werkzeugmaschinen und Fertigungssysteme, Band 5, Messtechnische Untersuchung und Beurteilung, dynamische Stabilität, 7. Auflage. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag 2006.[3] Altintas, Y., und M. Weck: Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding, in: Annals of the CIRP, Keynote Paper Vol. 53/2/04, 2004.[4] Weck, M., C. Brecher, A. Schulz und R. Keiser: Stabilitätsanalyse bei der HSC-Bearbeitung. Werkstattstechnik online ½/2003.[5] Brecher, C., M. Queins, M. Esser, und H. Voll: Motorspindeln sind Schlüsselkomponenten. Werkstatt und Betrieb 5/2005.