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te wirken am Werkstück und am Werkzeug auf die Maschinenstruktur ein und verursachen sowohl statische als auch dynamische Verformungen. Die dabei auftretenden relativen Bewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück sind den eingestellten Spanungsgrößen überlagert, wodurch sich neben der unmittelbaren Beeinträchtigung der Fertigungsqualität auch zeitlich veränderliche Spanungsquerschnitte ergeben. Die dynamische Modulation der Prozesskräfte über diesen Rückkopplungsmechanismus kann je nach Prozesseinstellung zu einem instabilen Anklingen der Schwingungen und damit zum Rattern der Maschine führen. Einflussgrößen auf die Zerspanung Die mathematische Beschreibung der Prozess-Struktur-Wechselwirkungen stellt nach wie vor eine Herausforderung dar. Dabei kann die Abbildung der Systemdämpfung des Wirkungskreises Maschine-Zerspanprozess als bisher ungelöste Problemstellung hervorgehoben werden. Des Weiteren sind Nichtlinearitäten im Systemverhalten und die komplexen Wirkzusammenhänge aller rele- Abb. 1 (oben): Geometrische Verhältnisse bei der Drehbewegung. Abb. 2 (links): Versuchsaufbau zur Ermittlung der Prozess- Struktur-Wechselwirkungen. vanten Einflussgrößen in die Betrachtungen einzubeziehen. Die bei der Zerspanung verrichtete Arbeit wird größtenteils in Wärme und zu einem geringen Prozentsatz in latente Energie im Span, Werkstück und Werkzeug umgewandelt. Die latente Energie setzt sich dabei aus der kinetischen Energie zur Spanbeschleunigung sowie aus chemischen, elektrischen und durch plastische Formänderung im Werkstückstoff gebundene Anteile zusammen. Die Umwandlung der eingebrachten Zerspanungsenergie in Wärme kann als adiabatischer Vorgang betrachtet werden. Dabei verändern sich die Temperaturfelder im Werkstück und Werkzeug so lange, bis ein Gleichgewicht zwischen zu- und abgeführten Wärmemengen erreicht ist. Da die Temperatur eine wesentliche Einflussgröße bei der Zerspanung darstellt, sind deren vielfältigen Wechselwirkungen mit anderen Parametern in einem ganzheitlichen Zerspankraftmodell zu berücksichtigen. So bewirken beispielsweise die mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit steigenden Temperaturen einerseits eine Entfestigung des Werkstoffes. Andererseits führen sie zu höherem Werkzeugverschleiß, was sich negativ auf die Reibung an der Span- und Freifläche auswirkt und damit wiederum eine größere Wärmeeinbringung in das System hervorruft. Implementierung eines Zerspankraftmodells Bisherige empirische und analytische Modelle besitzen nur für einen spezifischen Anwendungsbereich Gültigkeit. Daraus ergibt sich die Forderung, einen flexiblen und modularen Aufbau der Zerspankraftmodellierung zu realisieren. Der am iwb entwickelte Ansatz baut auf dem Scherebenenmodell auf und berücksichtigt bei der mathematischen Beschreibung des Scherwinkels sowohl das Verhältnis von Reib- zu Spanwinkel als auch die Temperatur und den Werkzeugverschleiß. Die geometrischen Verhältnisse bei Drehprozessen sind vereinfacht in Abbildung 1 dargestellt. Bei der Implementierung des Zerspankraftmodells wird ergänzend die Abhängigkeit des Reibwertes von der Normalspannung sowie die des Scherwinkels von der Kontaktlänge der Schneide zum Span untersucht. Bei Werkstoffverfestigung wird auf das Scherzonenmodell zurückgegriffen. Die Ermittlung des Verformungsverhaltens erfolgt basierend auf materialkundlichen Vorgängen, wobei auch der Einfluss der Temperatur und der Formänderungsgeschwindigkeit auf die Werkstoffwiderstandsgrößen mit einbezogen wird. Bei Zerspanprozessen ist die Voraussetzung der Coulomb’schen Reibung aufgrund der hohen auf der Spanfläche wirkenden Normalspannungen nicht mehr gegeben. Zusätzlich rufen variierende Eingriffsverhältnisse veränderliche Reibungskräfte an Span- und Freifläche hervor, die sich dämpfend auf vorhandene Strukturschwingungen auswirken können. Starke Reibung auf der Spanfläche bewirkt ferner einen kleineren Scherwinkel, der eine stärkere Formänderung des zu spanenden Werkstoffes bedingt. Ein weiterer wesentlicher Aspekt ist der Einfluss der Regelung, die das dynamische Prozess-Struktur-Verhalten je nach Einstellung der Reglerparameter positiv oder negativ beeinflusst. Experimentelle Verifikation des Prozess-Struktur-Modells Die Simulation der Prozess-Struktur-Wechselwirkungen erfolgt mit Hilfe eines hybriden Mehrkörpersystems, in welchem das Übertragungsverhalten der Verbindungselemente und auch die nachgiebige Gestellstruktur abgebildet sind. Die Ermittlung der Strukturparameter erfolgt anhand eines Finite-Elemente-Modells mit integrierten Antriebssträngen, welches mit einer experimentellen Modalanalyse abgeglichen wurde. Aufgrund des hohen Detaillierungsgrades bei der Modellbildung des mechanischen Systems konnte iwb Newsletter 3 8/2006
dabei bei den Eigenmoden eine Übereinstimmung von 98,5 % zwischen Simulation und Messung erreicht werden. Für die experimentelle Verifikation der Prozess-Struktur-Wechselwirkungen wird im Rahmen des Forschungsprojektes ein Verfahren entwickelt, mit dem gleichzeitig die Zerspankräfte und die Verlagerungen von Werkstück bzw. Werkzeug aufgenommen werden können. Für die Messung von Schnitt-, Vorschub- und Passivkraft kommt ein 3-Komponenten-Werkzeughalter-Dynamometer zum Einsatz (Abbildung 2). Die Bestimmung der relativen Verlagerung an der Wirkstelle des Zerspanprozesses erfolgt am Werkzeug mit Hilfe von 3D-Beschleunigungsaufnehmern und werkstückseitig mit induktiven Wirbelstromsensoren. Zur Ermittlung der Systemdämpfung an der Wirkstelle wird in einem weiteren Schritt eine im- iwb Newsletter 3 8/2006 pulsförmige Anregung in die Struktur eingebracht. Parallel werden die zeitlichen Weg- Verläufe in den Messsystemen aufgezeichnet, um den Einfluss der Regelung auf die Systemdämpfung abschätzen zu können. Um einen Zusammenhang zwischen der auf die Spanfläche wirkenden Normalspannung des abfließenden Spanes und dem Reibwert zu bestimmen, wird die Freifläche einer Wendeschneidplatte mit definierter Kraft gegen ein rotierendes Werkstück gedrückt. Aus den gemessenen Kraftverläufen kann anschließend die auftretende Reibkraft in Abhängigkeit der Temperatur und der Normalspannung ermittelt und mathematisch im Zerspankraftmodell beschrieben werden. Bei der Abbildung der Normal- und Schubspannungsverteilung auf der Spanfläche wird dabei auf vorhandene Analysen zurückgegriffen. Für die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Reibwertes Mechatronik-Simulation einer mehrachsigen Werkzeugmaschine Bei der Entwicklung und optimierung von mechatronischen Systemen müssen die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen physikalischen Effekten berücksichtigt werden. die kopplung von mechanischen, elektrischen und regelungstechnischen teilsystemen erfordert Methoden, die eine effiziente Untersuchung der relevanten Eigenschaften anhand eines virtuellen Maschinenmodells ermöglichen. am iwb werden dazu Werkzeuge entwickelt, die für die ganzheitliche Simulation von mehrachsigen Werkzeugmaschinen eingesetzt werden können. Werkzeugmaschinen sind in ihrer heutigen Form typische Beispiele für mechatronische Systeme. Zwischen dem Erzeugungspunkt der Führungsgrößen im Interpolator und ihrem Bestimmungsort an der Prozessstelle liegt eine informationstechnisch verzweigte Übertragungsstrecke mit regelungstechnischen, elektrischen und mechanischen Teilstrecken. Aufgrund der Rückführung von Messgrößen an die Antriebsregelung und der Rückwirkung des Zerspanprozesses auf die mechanische Struktur liegen mehrfache Rückkopplungen innerhalb des Gesamtsystems vor. Die Prozesslasten aus den Antrieben und dem Werkzeug-Werkstück-Eingriff rufen Kraftreaktionen an den Koppelstellen der mechanischen Komponenten hervor. Die Verbindungs- und Übertragungselemente (Führungen, Lager, Spindeln, etc.) sowie die Gestellkörper selbst erfahren Deformationen statischer und dynamischer Art. Die damit verbundenen Schwingungen des mechanischen Systems überlagern einerseits die Messwerte der Sensorsysteme und begrenzen die Regelkreisdynamik, andererseits besteht die Gefahr der regenerativen Rückkopplung durch die Zerspankräfte. Mechanisches System Um für ein Maschinenkonzept ein maximales Leistungsergebnis zu erzielen, muss während der konstruktiven Gestaltung der Maschine ein Kompromiss aus maximaler Steifigkeit und minimaler Masse gefunden werden. Die Finite-Elemente-Methode (FEM) stellt in diesem Zusammenhang ein weithin akzeptiertes und verifiziertes Verfahren zur Ermittlung dynamischer Schwachstellen der Maschinenstruktur dar. Die Analyse der Antriebssysteme erfordert dabei ein integriertes FEM-Modell des Maschinengestells und der mechanischen Antriebskomponenten. Die in diesem Beitrag beschriebenen Simulationsverfahren wurden anhand eines 9-achsigen Dreh-Fräszentrums verifiziert. Der kinematische Aufbau dieser Maschine ermöglicht die parallele Bearbeitung von zwei Werkstücken und zeichnet sich durch den flexiblen Einsatz der beiden Werkzeugeinheiten aus. Abbildung 1 zeigt u. a. das FEM-Modell des Dreh-Fräszentrums, in dem die Übertragungsmechaniken der translatorischen und rotatorischen Achsen als detaillierte FEM-Strukturen modelliert sind. werden im Werkstück und Werkzeug Thermoelemente ein- bzw. angebracht. Zusammenfassung In dem vorliegenden Beitrag wurde die Erweiterung bestehender Zerspankraftmodelle vorgestellt. Dabei wurden Parameter aufgezeigt, deren gegenseitige Beeinflussungen in bisherigen Modellen nicht in vollem Umfang berücksichtigt werden. Um der Vielzahl an Bearbeitungssituationen gerecht zu werden, ist dabei ein modularer Aufbau unabdingbar. Durch intensive Grundlagenforschung werden hierzu am iwb Verfahren erarbeitet, mit denen die Wechselwirkung von Zerspanprozess und nachgiebiger Maschinenstruktur im Vorfeld simuliert und damit ein Optimum aus Produktivität und gewünschter Bearbeitungsgenauigkeit ermittelt werden kann. Florian Schwarz kopplung der teilsysteme Die lagegeregelten elektrischen Antriebe werden in der üblichen Form eines regelungstechnischen Blockmodells abgebildet. Dieses berücksichtigt das Verhalten von der Vorgabe der Führungsgrößen durch den Interpolator, über die Aufnahme der aktuellen Istwerte, hin zur Umsetzung der Ergebnisse der Regelungssysteme in die Antriebsmomente der Servomotoren. Um das FEM-Modell des mechanischen Sys- tErMInE 2006 n iwb Seminare (Fortsetzung Seite 4) Mechatronik Optimierungspotenzial der Werkzeugmaschine nutzen 21.09.2006 – iwb Garching Virtuelle Inbetriebnahme Von der Kür zur Pflicht? 28.09.2006 – iwb Garching — VorankündIGUnG — CarV 2007 2nd International Conference on Changeable, Agile, Reconfigurable and Virtual Production 23. – 24. 07. 2007, Toronto, Canada. n iwb Messen Euromold 2006 Frankfurt/Main, 29.11. – 30.11.2006
Seite 1: August 2006 | Jahrgang 14 Nr. 3 ISS
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Seite 7 und 8: turpunkt eine Schwingung mit einer
Seite 9 und 10: geringe Anlagenkosten entstehen. Da
Seite 11 und 12: Geschäftsleitung auch Transparenz,

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