Simulation von Ratterschwingungen in Fräsprozessen

Abstract

Das Phänomen des Ratterns verursacht in der Fertigungstechnik hohe Kosten. Diese ergeben sich durch fehlerhafte Werkstücke und erhöhten Maschinen- und Werkzeugverschleiß. In Hinblick auf den Arbeitsschutz stellen die Schallemissionen des Rattereffektes ein Problem dar. In den letzten Jahrzehnten wurde deshalb sehr viel Forschung zu diesem Thema betrieben. In den meisten Literaturquellen wird sich dem Phänomen über mindestens einen der folgenden Zugänge angenähert. Der experimentelle Ansatz bildet die Realität am besten ab und wird oft zur Validierung herangezogen. Jedoch sind durch die hohe Anzahl an Einflussfaktoren sehr viele Fräsversuche notwendig, was diesen Ansatz sehr aufwendig macht. Die simulativen und analytischen Ansätze basieren im Grunde auf derselben fertigungstechnischen und mechanischen Modellbildung, unterscheiden sich aber in der Methode zur Bestimmung der Prozessstabilität. Diese Arbeit verwendet den simulativen Ansatz, welcher durch Fräsversuche ergänzt und überprüft wird. Dafür sind Kenntnisse über die Zerspanungstechnik, Numerik, Modellbildung, Programmierung, Messtechnik und vielem mehr erforderlich. Eine im Zeitbereich operierende Simulation wird erstellt, um Prozessstabilität und Schwingmuster vorherzusagen.Zuerst werden dazu basierend auf einer Literaturrecherche mögliche mechanische Modelle der Fräsmaschine vorgestellt und diskutiert. Ein wesentlicher Aspekt von Ratter ist die Kopplung der Schnittkräfte mit den Werkzeugbewegungen. Diese Verknüpfung wird durch die Einbeziehung der Werkzeug- und Werkstückpositionen in die Berechnung der Spanungsdicke realisiert. Um die, für die Simulation notwendigen, Maschineneigenschaften des mechanischen Modelles zu quantifizieren, wird werkzeugseitig eine Modalanalyse durchgeführt. Die selbst programmierte Simulation des Zerspanungsprozesses wird durch experimentelle Fräsversuche validiert.Dabei wird ein besonderes Augenmerk auf die leicht veränderbaren Prozessparameter Drehzahl und Vorschub gelegt. Bezüglich der Drehzahl zeigen die Simulation und die Versuche, ein Verhalten welches die Theorie des Ratterns bestätigt.Bei geringem Vorschub pro Zahn wird in der Simulation und im Experiment eine Verringerung der Ratterstabilität nachgewiesen. Für ein besseres Verständnis des Ratterphänomens werden diese Versuche mit umfassenden Messungen mittels Beschleunigungssensoren, einem USB-Mikrophon und dem sensorischen Werkzeughalter dokumentiert und ausgewertet. Ebenso dient die Simulation der Einsicht und Abschätzung der relevanten Parameter. Durch ihre hohe Anzahl an verschiedenen Möglichkeiten der Visualisierung und Auswertung trägt sie zum Verständnis bei.Darüber hinaus kann der Einfluss von Eigenschaften, wie die äußere Dämpfung und die Lagerorthotropie niederschwellig durch deren Variation analysiert werden.Durch Erweiterungen der Simulation durch Modelle, wie der orthotropen Welle und der inneren Dämpfung, können Auswirkungen rotordynamischer Effekte simulativ untersucht werden.

Chatter is a main problem in manufacturing. It causes high cost, due to faulty parts and increased machine and tool wear. The emitted noise leads to issues with the occupational health and safety. In recent decades there has been a lot of research on understanding and engineering dynamic cutting and the avoidance of chatter vibrations. In most of the literature one of three main approaches is used. The experimental approach is the most realistic one, therefore it is often used for validation, but it requires a high number of milling trials. The analytic and the simulation base approach are based on the same mechanical and cutting models, but they differ in the method to determine the chatter stability. This thesis uses the simulation based approach with experimental validation. Therefore, knowledge of the subjects of cutting, numeric, modeling, programming, measuring technology and a lot more is needed. A time domain based simulation is created and programmed to predict the chatter stability and vibration pattern. Therefore, mechanical models of the milling machine are presented and discussed. A main aspect of chatter is the coupling between the tool and workpiece movements with the cutting forces. This linkage is implemented by inclusion of the tool and workpiece position in the calculation of the uncut chip thickness. To quantify the mechanical properties, which are needed in the simulation, a modal analysis of the system, consisting of the tool, tool holder and milling machine, is used. The self-made simulation of the chatter process is va-lidated with an experimental series of milling tests. In these trials, special attention is paid to the spindle speed and the feed per tooth, because these parameters are easy to adjust by the operator. With the variation of the spindle speed, the simulation and the tests show a behavior which confirms the theory of chatter. With low feed per tooth a reduction in chatter stability is demonstrated in simulation and experiment. For a better understanding of the chatter effect, acceleration sensors, a USB microphone and the sensory toolholder are use during the milling operations. For the evaluation of the individual cuts, the recorded data is analyzed. Also, the simulation provides a tool for a better understanding of chatter, because the simulated data can be evaluated and visualized by a lot of different charts. Different numerical values and the impact of those on the chatter stability can be investigated easily bya variation of them. Due to extensions of the mechanical models of the tool and machine with rotor dynamic models, like an orthotropic shaft or inner damping in the simulation, effects of the rotor dynamics on chatter can be studied.