Schwingungsdämpfung in Werkzeugmaschinen

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Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Pseudoelastischer Effekt mit Dämpfungspotenzial

Bei Belastung schließt sich einer zunächst annähernd linear-elastischen Verformung ein Spannungsplateau an. Die mechanische Spannung bleibt hier bei zunehmender Dehnung auf nahezu dem gleichen Niveau, spannungsinduzierter Martensit wird gebildet. Nach Rücknahme der mechanischen Spannung bildet sich ebenfalls ein Spannungsplateau, allerdings liegt dieses aufgrund einer hysteresebehafteten Umwandlung bei deutlich niedrigeren Werten.

Durch die auftretende Hysterese bietet der pseudoelastische Effekt ein hohes Potenzial zur Lösung von Dämpfungsproblematiken. Die von der Hysterese eingeschlossene Fläche ist ein Maß für das Dämpfungsverhalten. Es wird hier mechanische Energie in Wärme umgewandelt.

Je nachdem in welchem Temperaturbereich sich das Material befindet, ändern sich, genau wie das mechanische Werkstoffverhalten, auch die Dämpfungseigenschaften. Zur Erzielung einer hohen Dämpfung sollte innerhalb des Martensitplateaus operiert werden [3]. Die Anpassung des Temperaturbereiches der spannungsinduzierten Phasenumwandlung an die Temperaturanforderungen des jeweiligen Einsatzfalls hängt von verschiedenen Faktoren ab, welche größtenteils schon durch minimale Änderungen einen hohen Einfluss ausüben.

Zu den Faktoren zählen vor allem die Legierungszusammensetzung sowie die thermomechanische Vorbehandlung. Dadurch werden weitere Parameter, wie die Ausprägung und die Höhe des Spannungsplateaus, die Änderungen des Betrags des Formgedächtniseffekts sowie dessen Leistungsfähigkeit und Temperaturstandfestigkeit beeinflusst [4]. Weitere Einflussgrößen auf die Dämpfungseigenschaften sind die statische Vorspannung, dynamische Amplitude, Anregungs- und Eigenfrequenz sowie die Materialermüdung [3].

Ein Anwendungsbeispiel aus dem Bereich der Schwingungsdämpfung ist der Einsatz von PE-Drähten zur Erdbebensicherung von Häusern. Dabei konnte in Simulationen eine geringere Verschiebung von Stockwerken durch den Einsatz von PE-FGL gegenüber Gummielementen nachgewiesen werden. Allerdings liegt der Frequenzbereich nur bei relativ niedrigen Werten von bis zu 4 Hz [5].

Dämpfung von Kreissägeblättern

Für höherfrequente Schwingungen stellen die Untersuchungen der Dämpfung von Kreissägeblättern mithilfe von PE-FGL durch das FGW-IFW ein Anwendungsbeispiel dar. Das Ziel war, durch die Integration geeigneter Dämpfungselemente aus FGL in Sägeblatt und Werkzeugflansch, das Schwingverhalten positiv zu beeinflussen.

Bild 3 zeigt die entwickelte Lösung für den Einsatz von PE-FG-Stiften im Werkzeugflansch sowie Vergleichsdiagramme der Amplituden über der Frequenz des statischen Spektrums. Die Messungen zeigen eine signifikante Dämpfung der Eigenfrequenz bei 250 Hz durch den Einsatz von FGL [6].

Die Erkenntnisse der FGL-Dämpfung von Kreissägeblättern belegen das Potenzial zur Anwendung in weiteren spanenden Fertigungsverfahren mit Schwingungsproblematiken. Da es für viele dieser Verfahren nur vereinzelt wirtschaftlich sinnvolle Lösungen zur Schwingungsdämpfung gibt, kann der Einsatz von FGL eine vielversprechende Alternative sein und muss daher im Bereich der Werkzeugmaschine weiter erforscht werden.

Schwingungen führen zur Prozessinstabilität

Das Auftreten von Schwingungsphänomenen und der damit unter Umständen einhergehenden Produktion von Fehlteilen ist bis heute eine nicht vollständig gelöste Aufgabe in der Zerspanung. Während der spanenden Bearbeitung können auf Grund der dynamischen, sich zeitlich ändernden Belastungen innerhalb des Prozesses, Schwingungen auftreten. Diese können bei ungünstigen Schnittbedingungen zu einer Instabilität des Prozesses führen. Erkannt werden können diese anhand von Resonanzüberhöhungen im Nachgiebigkeitsfrequenzgang des Gesamtsystems Maschine-Werkstück.

Unter gewissen Voraussetzungen können diese Instabilitäten beispielsweise zu Ratterschwingungen führen, welche sowohl zu einem Qualitätsverlust der Bearbeitungsergebnisse als auch zu einer geringeren Standzeit des Werkzeugs führen. Demzufolge sind dämpfende Eigenschaften in Werkzeugmaschinen von hoher Bedeutung, da sie maßgeblich zu einer stabilen Bearbeitung und besseren Maßhaltigkeit der Werkstücke beitragen [7]. Durch eine gezielte Dämpfung kann eine Reduzierung der Resonanznachgiebigkeiten ermöglicht werden. Verdeutlicht wird eine solche Reduzierung in Bild 4.

Bei der Anregungsursache wird in diesem Zusammenhang zwischen selbst- und fremderregten Schwingungen unterschieden, also zwischen strukturdynamischen und prozessbedingten Einflussgrößen [8]. Derzeitige Ansätze zur Lösung der Stabilitätsprobleme gliedern sich in passive und aktive Zusatzsysteme.

Dämpfung durch passive und aktive Zusatzsysteme

Die Dämpfung auf Grundlage passiver Zusatzsysteme wird durch eine Energieumwandlung erzielt. Dabei werden zur Amplitudenreduktion zusätzliche Massenkörper, wie Schwingungstilger oder Hilfsmassendämpfer, an die Struktur angebracht, welche die Energie in Wärme oder Relativbewegung zwischen den Körpern umwandeln [9].

Bezogen auf einen spezifischen Arbeitspunkt lässt sich somit eine gute Dämpfungswirkung erzeugen. Durch die sich ständig ändernden prozessbedingten Einflüsse auf die Maschinendynamik innerhalb von Werkzeugmaschinen ist der Einsatz nur bedingt möglich. Demgegenüber steht die Methode der Dämpfung von Werkzeugschwingungen mittels aktiver Zusatzsysteme. Bei dieser Methode findet eine sensorische Erfassung der sich ständig ändernden prozessbedingten Einflüsse statt und es wird mithilfe eines Aktors eine Gegenschwingung erzeugt. Die benötigte Energie für den Aktor muss dabei von außen zugeführt werden [10]. Durch die benötigte Regelungshardware ist diese Systemlösung mit deutlich höheren Kosten verbunden, wodurch ein industrieller Einsatz sich in den meisten Fällen nicht rentiert.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass durch verschiedene Methoden eine Schwingungsdämpfung in Werkzeugmaschinen möglich ist. Allerdings sind diese Methoden nur einzelfallbezogen einsetzbar und mit Mehrkosten verbunden. Die gezielte Dämpfung durch den Einsatz eines einfachen und kostengünstigen zusätzlichen Materials, wie beispielsweise FGL, muss an dieser Stelle weiter untersucht werden.

Um das aktuell bestehende Defizit der Schwingungsproblematik von Werkzeugmaschinen zu kompensieren, sollen innerhalb eines gemeinsamen Forschungsprojektes des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen und des Instituts für Werkzeugforschung und Werkstoffe der FGW in Remscheid die Eigenschaften von pseudoelastischen FGL genutzt werden, um somit einen neuen Ansatz zur Dämpfung von Werkzeugschwingungen zu entwickeln.

Erreicht wird dieses, indem geeignete Elemente aus FGL entwickelt und in die Werkzeugschnittstelle integriert werden. Die ungewünschten Schwingungseinflüsse auf den Bearbeitungsprozess könnten somit signifikant reduziert beziehungsweise eliminiert werden. Dadurch soll sich ein technischer und wirtschaftlicher Nutzen infolge besserer Werkstückoberflächen und höherer Maßhaltigkeit ergeben. Dies würde somit zu längeren Werkzeugstandzeiten, geringeren Fehleranfälligkeiten und kürzeren Laufzeiten führen. MM

Literatur

[1] Gümpel, P.: Formgedächtnislegierungen: Einsatzmöglichkeiten in Maschinenbau, Medizintechnik und Aktuatorik, Renningen: Expert Verlag, 2004

[2] Langbein, S., Czechowicz, A.: Konstruktionspraxis Formgedächtnistechnik, Vieweg-Springer Fachbuch, Springer-Vieweg, 2013

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

[4] VDI 2248: Produktentwicklung mit Formgedächtnislegierungen, Blatt 2, Werkstoffaus-wahl und Nomenklatur, Verein Deutscher Ingenieure e.V., 2017

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

[6] Institut für Werkzeugforschung und Werkstoffe: Dämpfung von Schwingungen an Kreis-sägeblättern mit formgedächtnisbasierten Dämpfungselementen, AIF Abschlussbericht 17828N, Remscheid, 2016.

[7] Weck, M.; Brecher, C.: Werkzeugmaschinen. 8. Aufl. Berlin: Springer 2006.

[8] Brecher, C.; Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 2. Berlin: Springer 2017.

[9] Schauerte, G.: Piezoaktorische Achsen im Präzisionsmaschinenbau am Beispiel eines aktiven Bohrwerkzeugs. Aachen: Apprimus-Verlag 2010.

[10] Waibel, M.: Aktive Zusatzsysteme zur Schwingungsreduktion an Werkzeugmaschinen. München: Herbert Utz Verlag 2012.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Mitglied des Direktoriums des Werkzeugmaschinenlabors (WZL) der RWTH Aachen, Niclas Klumpen M. Sc. ist dort wissenschaftlicher Mitarbeiter und Dipl.-Ing. Stephan Neus Oberingenieur, Dr.-Ing. Dipl.-Wirt-Ing. Peter Dültgen ist Geschäftsführer der FGW, Dr.-Ing. Ralf Theiß ist dort wissenschaftlicher Direktor und Fabian Hoffmann M. Eng. wissenschaftlicher Mitarbeiter. Weitere Informationen: Niclas Klumpen, Tel. (02 41) 80 2-74 41, n.klumpen@wzl.rwth-aachen.de

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