Formgedächtnislegierungen Schwingungen in der Maschine dämpfen

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Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Die Verwendung von Formgedächtnislegierungen zur Schwingungsdämpfung in Werkzeugmaschinen bietet großes Potenzial. Zur Einbindung im Kraftfluss verschiedener Maschinenkomponenten wurde das Hystereseverhalten unter dynamischer Druckbelastung untersucht.

Gute Dämpfungseigenschaften spielen im Bereich von spanenden Werkzeugmaschinen eine wichtige Rolle, da sie zu einer stabilen Bearbeitung und somit zu höherer Maßhaltigkeit der zu fertigenden Bauteile beitragen. Kritische Bearbeitungssituationen können abhängig von den dahinterliegenden strukturdynamischen Eigenschaften der Maschine in nahezu allen Bearbeitungsprozessen entstehen. Dies wiederum führt oft dazu, dass Technologieparameter, deren Anwendung für eine wirtschaftliche Bearbeitung notwendig ist, nicht genutzt werden können [1].

Da bisherige Ansätze zur Lösung von Stabilitätsproblemen, wie der Einsatz von Schwingungsdämpfern oder speziellen Dämpfungswerkzeugen oft kundenspezifisch und damit aufwendig und kostenintensiv sind, ist die Entwicklung einfacher schwingungsreduzierender Maßnahmen erforderlich [2]. Einen innovativen Entwicklungsansatz stellt die Verwendung von Dämpfungselementen aus Formgedächtnislegierungen (FGL) dar. Hierbei handelt es sich um einen multifunktionalen Werkstoff, welcher besondere elastische, sensorische und aktorische Eigenschaften aufweist. Charakteristisch für FGL ist die Bildung einer Hysterese im Spannungs-Stauchungs-Diagramm, deren eingeschlossene Fläche ein Maß für das bestehende Dämpfungsvermögen des Werkstoffes ist [3].

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Bisherige Untersuchungen zum Dämpfungsverhalten von FGL fokussierten weitestgehend zugbelastete Drähte. Schröder [4] und Schmidt [5] zeigten eine Abhängigkeit des Dämpfungsverhaltens von der Kraftamplitude, der Temperatur, der Belastungsgeschwindigkeit und der Zyklenparameter auf. Plietsch [6] und Wang [7] konnten eine ausgeprägte Zug-Druck-Asymmetrie demonstrieren.

Zur Qualifizierung von Dämpfungselementen aus pseudoelastischen FGL zur Anwendung in Werkzeugmaschinen wurden in [8] Druckversuche unter geringen dynamischen Belastungen an zylindrischen Probekörpern durchgeführt. Hierbei zeigte sich, dass die Spannungs-Stauchungs-Eigenschaften durch eine Variation der Wärmebehandlungsparameter in hohem Maße beeinflusst werden können. Infolge dieses Verhaltens ergeben sich Möglichkeiten zur Anpassung der Werkstoffeigenschaften an die Anforderungen der jeweils fokussierten Anwendung.

Auf Grundlage der dargelegten Ergebnisse wurden die bisherigen Untersuchungen um sowohl die Gesamthysterese als auch Zwischenhysteresen unter hohen dynamischen Druckbelastungen erweitert.

Prüfstand und Versuchsmaterial

Zur Ermittlung der Hystereseeigenschaften von FGL unter hohen dynamischen Druckbelastungen wurde ein Prüfstand konstruiert, welcher aus einem hydraulischen Krafterreger, einer Spanneinheit zur Fixierung der Probe und einem Stahlrahmen zur Verbindung der einzelnen Komponenten besteht (siehe Abbildung 1). Dadurch kann die zu untersuchende Probe einschließlich der Spanneinheit über verschiedene mechanische Anschläge positioniert werden, um eine höhere Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit zu erreichen. Dadurch ist es möglich, die Probe zwischen den Versuchen zu entnehmen und wiedereinzusetzen. Der hydraulische Krafterreger ermöglicht es, die Proben mit einer dynamischen Kraftamplitude von bis zu 4.500 Newton auf Druck zu belasten. Um unterschiedliche Belastungszustände zu untersuchen, lassen sich die Amplitude und die Frequenz variieren. Die daraus resultierende Längenänderung der Probe wird über zwei um 180 Grad zueinander versetzte Wegaufnehmer erfasst.

Für die Versuche unter hohen dynamischen Belastungen kamen die Materialparameter aus [8] zur Anwendung (siehe Tabelle 1) Eine genauere Erläuterung der Werkstoffauswahl und der Wärmebehandlungsparameter ist [8] zu entnehmen.

Versuchsdurchführung

Bei der Durchführung der Druckversuche unter hohen dynamischen Belastungen werden für jede Probe mehrere Versuchsdurchläufe hintereinander durchgeführt. Dabei besteht ein Versuchsdurchlauf aus einer Gesamt- und einer definierten Anzahl an Zwischenhysteresekurven. Die Gesamthysteresekurve ergibt sich aus einem einzelnen Belastungszyklus über den gesamten Kraftbereich bis 4.500 Newton. Im Anschluss wird der Dauerversuch durchgeführt, aus welchem sich die Zwischenhysteresekurven ergeben. Dabei wird die Probe mit einer zyklischen Druckbelastung von 500 bis 2.500 Newton mit 80 Hertz über eine definierte Zeit belastet. In einem ersten Schritt werden die Proben mit 400.000 Zyklen belastet. Aus den Daten lassen sich die Hysteresekurve, Dehnungs- und Spannungsmaxima sowie die Längenänderung der Probe bestimmen. Um Ausreißer zu eliminieren, werden für jede Materialkombination vier Proben untersucht.

Versuchsergebnisse

Mehrere Auswertekriterien werden zur Charakterisierung der Proben unter hoher dynamischer Druckbelastung ausgewählt. Dazu gehören bei der Betrachtung der Gesamthysterese die Änderungen der maximalen Spannung und Stauchung über der Anzahl der Lastzyklen. In Bezug auf die Zwischenhysterese werden sowohl die Änderungen der minimalen und maximalen Stauchung als auch die Änderung des Flächeninhaltes, welcher ein Maß für das Dämpfungsvermögen ist, über die Lastzyklenzahl betrachtet. In Abbildung 2 ist für einen Durchlauf die Gesamthysterese zu Beginn der Versuche und die Zwischenhysterese für die ersten 200.000 Lastzyklen für eine Probe dargestellt, mit den jeweiligen Auswertekriterien A-E. Die darauf aufbauenden Diagramme (Abbildung 3 bis 5) beinhalten die gemittelten Werte der Auswerteparameter von jeweils vier untersuchten Proben. Dabei beträgt die relative Standardabweichung bezogen auf den Mittelwert durchschnittlich 3,46 Prozent und erreicht maximal einen Wert von 9,19 Prozent.

Änderung der maximalen Spannung und Stauchung der Gesamthysterese

Eine Gegenüberstellung der Änderung der maximalen Spannungen und Stauchungen der unterschiedlich behandelten Proben in Abh. von der Lastzyklenzahl ist in Abbildung 3 zu erkennen.

Die maximalen Spannungen bleiben bei allen Versuchsproben auch über die Lastzyklenzahl mit einer maximalen Änderung von 4 Prozent nahezu konstant. Somit haben alle Proben eine vergleichbare Belastung erfahren, wodurch ein direkter Vergleich der maximalen Stauchung möglich ist. Die Betrachtung der maximalen Stauchung zeigt zu Beginn der Dauerversuche eine identische Verteilung in Bezug auf die Wärmebehandlungsparameter wie in [8]. Über die Lastzyklenzahl ist eine geringfügige Änderung der maximalen Stauchung bei den einzelnen Wärmebehandlungsparametern von maximal 5 % zu verzeichnen. Die leichte Streuung über der Zeit lässt sich über die Messunsicherheiten und den Prüfstandsaufbau erklären. Somit lässt sich schließen, dass sich das Gesamthystereseverhalten unter zyklischen Dauerbelastungen nicht ausschlaggebend verändert.

Aus Abbildung 4 sind die Änderungen der minimalen und maximalen Stauchungen der Zwischenhysterese über 400.000 Lastzyklen zu entnehmen. Im Vergleich zur maximalen Stauchung der Gesamthysterese liegt die durchschnittliche Änderung der minimalen und maximalen Stauchungen der Zwischenhysterese sogar unter 1 Prozent. Dieses zeigt, dass der Verlauf der Zwischenhysterese über die Lastzyklenzahl sehr konstant ist. Da eine spätere Anwendung im Bereich von Werkzeugmaschinen nicht den gesamten Bereich der Hysterese ausnutzen, sondern nur einen kleinen Bereich wie bei der Zwischenhysterese, ist somit eine Anwendung sehr gut realisierbar. Lediglich bei 200.000 Lastzyklen ist bei 500 Grad Celsius mit 30 und 20 Minuten Glühdauer ein Sprung zu erkennen, welcher auf das zwischenzeitliche Ausspannen der Probe zur Längenvermessung zurückzuführen ist. Zusätzlich ist auch eine höhere minimale und maximale Stauchung für Proben mit einer Vorbehandlung bei 500 Grad Celsius mit 30 und 20 Minuten zu erkennen, welche sich auch in der Gesamthysterese widerspiegelt. Diese Abweichungen sind auf die unterschiedlichen Wärmebehandlungsparameter zurückzuführen.

Flächenänderung der Zwischenhysterese

Abbildung 5 visualisiert die Veränderung des Flächeninhaltes der Zwischenhysteresen über die ersten 400.000 Lastzyklen. Unabhängig von der Wärmebehandlung reduziert sich der Flächeninhalt innerhalb der ersten 200.000 Lastzyklen um durchschnittlich 5 Prozent, wobei bei 500 Grad Celsius und 30 Minuten Glühdauer ein deutlicherer Abfall um 9 Prozent zu verzeichnen ist. Der Gesamtverlust der Fläche beträgt über die gesamten Lastzyklen für alle Wärmebehandlungsparameter jedoch nicht mehr als 12 Prozent. Nach 250.000 Lastzyklen bildet sich bei allen Proben ein annäherndes Plateau. Dies deutet auf ein gleichmäßiges stabiles Verhalten mit ansteigender Zyklenzahl hin. Für einen Einsatz von Dämpfungselementen innerhalb von Werkzeugmaschinen ist dieses ein entscheidender Faktor, da so gewährleistet werden kann, dass das Dämpfungsvermögen über eine lange Nutzungsdauer erhalten bleibt.

Zusammenfassung und Ausblick

Der Einsatz von Dämpfungselementen aus FGL in Werkzeugmaschinen bietet einen innovativen Weg zur Lösung von Schwingungsproblemen. Die in diesem Beitrag vorgestellten Versuche wurden zunächst mit dem Ziel durchgeführt, das grundlegende Hystereseverhalten des Werkstoffs unter hohen zyklischen Druckbelastungen sowie einer hohen Lastzyklenzahl zu ermitteln.

In den Versuchen wurden nur geringfügige Abweichungen der mechanischen Spannungen und Stauchungen sowie der Hystereseflächeninhalte festgestellt. Der Einfluss auf die Gesamt- und Zwischenhysteresen war somit insgesamt gering. Somit lässt sich zum aktuellen Stand festhalten, dass sich die untersuchten Probenelemente für einen Einsatz unter hohen dynamischen Belastungen eignen und dabei ihre Dämpfungseigenschaften weitestgehend erhalten können.

Aufbauend auf diesen Versuchen soll der Einfluss verschiedener Frequenzen und erhöhter Temperaturen auf das Hystereseverhalten untersucht werden und anschließend das Dämpfungspotential für verschiedene Anwendungsfälle ermittelt werden.

Die Autoren möchten an dieser Stelle der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) für die Förderung des unter dem Zeichen IGF 20957 N laufenden Forschungsvorhaben danken.

Literatur

[1] Weck, M.: Brecher, C.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 1, Springer Verlag, Berlin, 9. Auflage, 2019

[2] Schmidt, S.; Verteilte Mehrmassendämpfer für Werkzeugmaschinen, Apprimus Verlag, Aachen, 2019

[3] Czechowicz, A., Langbein, S.: Konstruktionspraxis Formgedächtnistechnik, Springer Vieweg Verlag, Wiesbaden, 2013

[4] Schröder, B.: Dämpfungseigenschaften von Formgedächtnislegierungen, Dissertation am Institut für Statik und Dynamik der Luft- und Raumfahrtkonstruktionen der Universität Stuttgart, Stuttgart, 2001

[5] Schmidt, I.: Untersuchungen zur Dämpfungskapazität superelastischer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen, Dissertation, Institut für Mechanik, Helmut Schmidt Universität Hamburg, 2004

[6] Plietsch, R.: Makroskopische und mikroskopische Phänomene im Ermüdungsverhalten einer pseudoelastischen NiTi-Formgedächtnislegierung unter mechanischer Wechselbeanspruchung, Dissertation, Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1997

[7] Wang, B., Zhu, S.: Cyclic tension–compression behavior of superelastic shape memory alloy bars with buckling-restrained devices, Construction and Building Materials 186, 2018

[8] Brecher, C., Neus, S., Klumpen, N., Dültgen, P., Theiß, R., Krieg, R., Hoffmann, F.: Investigation of transformation behaviour of pseudoelastic NiTi shape memory alloys under compressive loading to asses the potential use in vibration damping in milling operations, Proceedings of the ASME 2021 Conference on Smart Materials, Adaptive Structures, and Intelligent Systems SMASIS, 2021

Autoreninformation

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Professor und Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen, Niclas Klumpen M. Sc. ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Maschinenuntersuchung & -beurteilung und Dipl.-Ing. Stephan Neus ist Oberingenieur und Leiter der Abteilung Maschinentechnik, alle am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Peter Dültgen ist Geschäftsführer der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V., Dr.-Ing. Ralf Theiß ist dort Wissenschaftlicher Direktor, Dr. rer. nat. Romina Krieg ist dort Bereichsleiterin für Werkstoffe, Fabian Hoffmann, M. Eng. und Simon Horn, B. Eng. sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter. Tel. +49 241 80-27441, n.klumpen@wzl.rwth-aachen.de,

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