Synthese von Ratterkarten mit hochtourig drehenden Spindel-Lager-Systemen unter Berücksichtigung gyroskopischer Effekte (Fortsetzung)

Laufzeit:	11/2009 – 10/2011
Finanzierung:	DFG – SPP 1180
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Michael Löser

Zielstellung

Das Ziel des Vorhabens besteht darin, Ratterkarten insbesondere unter Berücksichtigung der drehzahlabhängigen Änderung des strukturdynamischen Verhaltens von Spindel-Lager-Systemen schnell, zumindest teilanalytisch und unter Verzicht auf zeitaufwändige Simulationen im Zeitbereich zu berechnen. Ein weiterer Untersuchungsgegenstand ist der Einfluss niederfrequenter Anteile der Strukturdynamik des Maschinengestells sowie des Werkstücks bzw. der Werkstückspannung auf die Prozessstabilität bei hohen Drehzahlen und stark unterbrochenem Schnitt. Hinsichtlich der gegensätzlichen Forderungen nach Rechenzeiteffizienz und Prognosegenauigkeit erhält die Wahl eines geeigneten Berechnungsverfahrens eine hohe Bedeutung. Hierzu sollen Kenngrößen ermittelt werden, die eine Klassifizierung der Prozesse hinsichtlich der notwendigen Detailtiefe der in den Berechnungsverfahren zu berücksichtigenden Effekte erlauben.

Lösungsweg

Es existieren verschiedene zeiteffiziente analytische bzw. teilanalytische Berechnungsverfahren zur Analyse der Prozessstabilität, mit denen unter Berücksichtigung einzelner Effekte Ratterkarten berechnet werden. Diese Verfahren können angewandt und gegebenenfalls erweitert und/oder kombiniert werden. Damit können Sätze von Ratterkarten berechnet werden, die sich unterschiedlichen Wirkmechanismen und Einflussgrößen zuordnen lassen. Mit diesen Teilratterkarten ist die Synthese einer Gesamtratterkarte möglich.

Als Referenz zur Bewertung der mit den weiterentwickelten Methoden berechneten Stabilitätsgrenzen dienen durch Simulationen im Zeitbereich ermittelte Ratterkarten.

Ergebnisse

In den experimentellen Untersuchungen konnte die Notwendigkeit zur Berücksichtigung des drehzahlabhängigen Übertragungsverhaltens des rotierenden Spindel-Werkzeug-Systems bei hochtourig geführten Fräsprozessen bestätigt werden. Vor diesem Hintergrund konnten auch Ergebnisse und Modelle aus einem - bereits durch die DFG geförderten - Projekt genutzt und die Eignung modellbasierter Methoden zur Ermittlung von Parametern modaler Ersatzbeschreibungen für geänderte Werkzeugkonfigurationen gezeigt werden.

Der Einfluss des Drallwinkels und die damit verbundene Notwendigkeit zur Anwendung geeigneter Frequenzbereichs-verfahren zur Stabilitätsprognose (multi frequency solution) konnte insbesondere für das Auftreten niederfrequenter Anteile der Strukturnachgiebigkeit gezeigt werden. Für andere Versuchskonfigurationen geht der in den Berechnungsverfahren gezeigte Effekt des Drallwinkels allerdings unter, gegenüber den Unsicherheiten bei der Parametrierung der verwendeten Modelle sowie der begrenzten Reproduzierbarkeit experimentell ermittelter Ratterkarten.

Hierin liegen auch die Schwierigkeiten, die sich bei der Bearbeitung des Projektes ergaben. Aufgrund von Schwankungen und Unsicherheiten von Parametern lassen sich einige der simulativ gezeigten Effekte nicht eindeutig im Experiment verifizieren. Die Einflüsse solcher Unsicherheiten konnten in einer abschließenden Untersuchung gezeigt werden. Diese Herausforderungen hinsichtlich der Prognosesicherheit ergeben sich für eine praktikable Nutzung der Möglichkeiten der Stabilitätsprognose. Für zukünftige Forschungsarbeiten können daher aus den gewonnenen Erkenntnissen folgende Aufgaben-schwerpunkte abgeleitet werden:

Ermittlung von Vertrauensbereichen der Modellparameter,
Definition geeigneter Beschreibungsformen für Parameterunsicherheiten der Prozess- und Strukturmodelle,
Entwicklung effizienter Verfahren zur Berücksichtigung von Parameterunsicherheiten bei der Prognose von Stabilitätsgrenzen,
Ermittlung von Vertrauensbereichen der prognostizierten Stabilitätsgrenze, um eine bewertete Aussagesicherheit der Stabilitätsprognose bereitzustellen.