Makrosimulation optimiert Fräsoperationen

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Zur Bestimmung der Kräfte wird ein Kraftmodell aus der Literatur herangezogen [4]. Auf Bild 4 sieht man rechts das Ergebnis der Simulation einer umlaufenden Bearbeitung einer Turbinenschaufel. Im oberen Bereich sind die Eingriffswinkel aufgetragen. Die höchsten Werte betragen dort etwa 45° für die Bearbeitung der konkaven Druckseite des Profils. Zu den Zeiten, an denen das Kugelkopf-Fräswerkzeug die Ein- und Austrittskante des Flügelprofils bearbeitet, beobachtet man Minima für den Eingriffswinkel. Die Werte gehen bis fast auf 0° zurück. Das variable Aufmaß der Schaufel sorgt zu Beginn des Wechsels von der Saug- zur Druckseite für Maxima bei den Kontaktwinkeln. Auf der konvexen Saugseite sind die Werte für den Kontaktwinkel jeweils geringer, weil bei der gleichen programmierten axialen Zustellung a_p nur kleinere Materialbereiche mit dem Kugelkopf des Werkzeugs in Kontakt sind.

Da die Software das Werkzeug in scheibenförmige Elemente unterteilt und für jede Scheibe die Kontaktsituation während der gesamten Bearbeitungszeit aufnimmt, ist man in der Lage, den Werkzeugverschleiß ortsaufgelöst darzustellen. Es ist also möglich, den programmierten Werkzeugweg zu bewerten im Hinblick auf die Verschleißverteilung.

Wird nur eine begrenzte Zone der Werkzeugschneide stark belastet, versagt das Werkzeug schon zu einem Zeitpunkt, an dem noch Teilbereiche der Schneide sehr wenig verschlissen sind. Eine Optimierung des NC-Programms mit einer verteilten Belastung der Werkzeugschneide ist mit diesen Informationen möglich und soll in naher Zukunft in die Software integriert werden.

Aktuelle Entwicklung

Eine wesentliche Weiterentwicklung, die zurzeit durchgeführt wird, ist die Kopplung des Simulationssystems an Realdaten. Bei komplexen Fünf-Achs-Fräsoperationen, wie sie zum Beispiel im Bereich des Turbomaschinenbaus durchgeführt werden, weichen die real ausgeführten Bewegungsgeschwindigkeiten in der Maschine von den programmierten Werten der NC-Programme ab. Bei kleinen Radien, die an der Ein- und Auslaufkante einer Turbinenschaufel in umlaufender Bearbeitung gefräst werden müssen, kann die Fertigungsmaschine oft nicht die programmierte Vorschubgeschwindigkeit halten, weil die Maschinensteuerung die beteiligten Bewegungsachsen bremst, um die Bewegung mit den angegebenen Koordinaten durchführen zu können.

Je nach Geometrie kann die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit weniger als die Hälfte des ursprünglichen Werts betragen. Weil die Spindeldrehzahl konstant bleibt, ändert sich der Vorschub pro Zahn und damit verlässt man den ursprünglich festgelegten Parameterbereich. Bei modernen Maschinensteuerung ist es möglich, die Achspositionen während der Fertigung aufzuzeichnen. Mit dieser Information hat man die Möglichkeit, die Simcutpro-Simulation mit realen Positionsdaten durchzuführen. Zusätzlich werden Optimierungsmöglichkeiten des Werkzeugwegs implementiert, die eine Homogenisierung des Eingriffswinkels beziehungsweise der Kraft, die auf das Werkzeug wirkt, anstreben.

Simulation mit der Software Simcutpro

Die Simulationssoftware Simcutpro wird als Windows-64-bit- Applikation erstellt und ist auf üblichen Computerarbeitsplätzen lauffähig.

Die Arbeiten an diesem Software-Tool werden im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer“, Cluster D „Selbstoptimierende Produktionssysteme“ durchgeführt.

Die Autoren bedanken sich bei der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG für die freundliche Unterstützung der Forschungsarbeiten im Rahmen des Exzellenzclusters „Integrative Produktionstechnik für Hochlohnländer.

Literatur

[1] Klocke, Fritz und Kratz, H. (2005): Advanced Tool Edge Geometry for High Precision Hard Turning. Volume 54, Issue 1., S. 47–50.

[2] Altintas,Yusuf und Spence, A. (1994): A Solid Modeller Based Milling Process Simulation and Planning System. Journal of Engineering for Industry.

[3] Minoufekr, Meysam (2015): Macroscopic Simulation of Multi-Axis Machining Processes. Aachen: Apprimus-Verlag.

[4] König,Wilfried und Klocke, F. (1997): Fertigungsverfahren: Drehen, Fräsen, Bohren. Düsseldorf: VDI-Verlag.

* Dr. rer. nat. Thomas Bobek ist Gruppenleiter Prozesstechnologie, CAX-Technologien am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in 52074 Aachen, Diana Suárez-Martel ist dort wissenschaftliche Mitarbeiterin;

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