Fraunhofer-IPT Makrosimulation optimiert Fräsoperationen

Autor / Redakteur: Thomas Bobek und Diana Suárez-Martel / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Eine optimierte Steuerung mithilfe von Simulationswerkzeugen trägt in der spanenden Fertigung dazu bei, die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen. Eine optimierte Prozessplanung ist aber auch notwendig, um die Qualität besonders bei komplizierten Bauteilen sicherzu-​stellen, wie das Beispiel einer Turbinenschaufelfertigung zeigt.

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Bild 1: Mithilfe von numerisch simulierten Eingriffsbedingungen kann man bereits in der CAM-Planungsphase die Krafteinwirkung auf das Werkzeug abschätzen und das NC-Programm anpassen.
Bild 1: Mithilfe von numerisch simulierten Eingriffsbedingungen kann man bereits in der CAM-Planungsphase die Krafteinwirkung auf das Werkzeug abschätzen und das NC-Programm anpassen.
(Bild: Fraunhofer-IPT)

Die fräsende Bearbeitung stellt in vielen Produktionsabläufen eine zentrale Bearbeitungsmethode dar. Die Kundenanforderungen in Bezug auf Oberflächenqualität und Kostenreduktion steigen stetig. Diese Anforderungen sind besonders herausfordernd für die Fertigung komplexer Werkstückgeometrien mit freigeformten Oberflächen, wie zum Beispiel im Turbomaschinenbau.

Eine Optimierung der Prozessplanung ist dort zwingend erforderlich, um zum einen eine hohe Qualität des fertiggestellten Produkts sicherzustellen und zum anderen einen möglichst wirtschaftlichen Prozess zu erreichen. Im Turbomaschinenbau sind Qualitätsansprüche für Formtreue und Oberflächenqualität besonders hoch, die zu zerspanenden Materialien – wie zum Beispiel Nickellegierungen – erfordern ausführliche Versuchsreihen, bevor ein qualifizierter Prozess stattfinden kann.

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Die Verwendung von leistungsfähigen Werkzeugen ist dabei eine Grundvoraussetzung für die Entwicklung eines optimierten Fräsprozesses. Allerdings sind Schnittwerte, die aus Katalogen und Datenbanken stammen, oft nur für eine bestimmte Eingriffssituation gültig. Die wechselnden Eingriffsbedingungen, die im Fall der Turbinenschaufelbearbeitung auftreten, gehen oft über das Einsatzgebiet hinaus, das beim Erstellen der Empfehlungen betrachtet wurde.

Der Einsatz eines Werkzeugs für die vollständige Schaufelbearbeitung führt dann unter Umständen dazu, dass das Werkzeug unter falschen Voraussetzungen eingesetzt wird und seine Lebensdauer stark reduziert wird. Mithilfe von numerisch simulierten Eingriffsbedingungen kann man diese Situationen bereits in der CAM-Planungsphase erkennen, die Krafteinwirkung auf das Werkzeug abschätzen und das NC-Programm zur Fertigung anpassen (Bild 1).

Existierende Simulationssysteme

Man unterscheidet analytische, geometrisch-/numerische und Fenite-Elemente-(FE-)basierte Simulationsmethoden. Analytische und FE-basierte Methoden [1] werden meist zur Berechnung von kurzen Abschnitten des Werkzeugwegs eingesetzt, weil sie einen hohen Rechenaufwand erfordern. Sie liefern detaillierte Ergebnisse zur Spangeometrie, Temperatur und zum Kraftverlauf des betrachteten Körpers, können aber nicht über einen gesamten Bearbeitungsprozess in der Planungsphase eingesetzt werden.

Es werden primär Fragestellungen zum Spanbruch und zur Wärmeausbreitung/-belastung behandelt. Die numerische Simulation ist dagegen in der Lage, gesamte Werkzeugwege zu betrachten. Dabei liegt der Fokus auf der geometrischen Überlappung des Werkzeugs mit dem Werkstück. Daraus lassen sich die axiale und radiale Zustellung und der Kontaktwinkel ableiten. Diese können dann die Grundlage für eine Kraftauswertung sein [2].

Am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie wurde in den vergangenen Jahren ein leistungsfähiges Simulationstool entwickelt, welches für komplexe Fünf-Achs-Fräsoperationen die Eingriffssituation numerisch mit hoher Präzision berechnen kann. Eine Kopplung an eine hausinterne Mikrosimulation erlaubt die Bestimmung von Spanformen für die berechneten Situationen. Damit sind direkte mikroskopische Zusammenhänge wie die Auswirkungen der Änderung des Vorschubs oder der Spindeldrehzahl auf die Spanform und damit auf die Werkzeugbelastung möglich.

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