Experimentelle Untersuchung und Optimierung einer Linearaktorik basierend auf dem Prinzip der variablen Reluktanz zur mechanischen Oberflächenbearbeitung

Abstract

Beim maschinellen Oberflächenhämmern (MHP – engl. Machine Hammer Peening) handelt es sich um eine mechanische Oberflächenbearbeitung mit dem Ziel, die Oberflächenintegrität zu beeinflussen. Verantwortlich dafür ist ein in einer Werkzeugmaschine oder einem Roboter geführtes Aktorsystem, dessen Werkzeug mit einer vertikalen Hubbewegung auf die Werkstückoberfläche trifft. Dies hat zur Folge, dass die Oberflächenhärte erhöht, Druckeigenspannungen erzeugt, die Oberflächenrauheit verringert oder eine Oberflächenstrukturierung erzeugt werden kann. Die meisten bisherigen Aktoren arbeiten auf dem Prinzip eines harmonischen Oszillators, womit Einzelschläge nicht bzw. nur schwer umsetzbar sind. Um einen gesteuerten Bearbeitungsprozess zum maschinellen Oberflächenhämmern realisieren zu können, wurde am Institut für Fertigungstechnik und Photonische Technologien der TU Wien ein Aktor auf Basis der Reluktanz entwickelt, der eine zeit- bzw. wegdiskrete Auslenkung des Hammerkopfes ermöglicht. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die experimentelle Untersuchung und Optimierung dieses neuen Aktorsystems, welches nach dem elektromagnetischen Prinzip arbeitet. Dabei wurde in einem ersten Schritt das Aktorsystem in einer Werkzeugmaschine mit unterschiedlichen Eingangsparametern getestet und das Verhalten bei verschiedenen Belastungsversuchen eruiert. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde der Aktor in einem zweiten Schritt konstruktiv überarbeitet und mit den eingepflegten Änderungen erneut zusammengebaut. Im Anschluss daran wurde die überarbeitete Aktorik einer neuerlichen Versuchsreihe unterzogen, um die erwarteten Verbesserungen zu verifizieren. Mit den durchgeführten Versuchen und den eingebrachten Änderungen des Aktors konnten wesentliche Fortschritte hinsichtlich der Wirkleistung erzielt werden. Die durch die Aktorik generierbaren Auszugskräfte, die auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Kontaktkräfte als auch die eingebrachte kinetische Energie konnten deutlich erhöht werden. Einzig das thermische Verhalten konnte aufgrund der zahlreichen Verbesserungen in der Leistungsfähigkeit des Aktors nicht im selben Ausmaß weiterentwickelt werden und bedarf weiterer Untersuchungen. Dies dient als Ausgangspunkt für zukünftige Forschungsarbeiten, in denen mit Hilfe von numerischen Simulationsmodellen, speziell im Bereich der thermischen Analyse, eine Vorhersage der experimentellen Ergebnisse getroffen werden könnte.

Machine hammer peening (MHP) is a mechanical surface treatment with the aim of influencing surface integrity. Responsible for this is an actuator system guided in a machine tool or a robot, whose tool hits the workpiece surface with a vertical lifting movement. This results in an increase of the surface hardness, generation of compressive residual stresses, reduction of surface roughness or creation of surface structure. Most previous actuators work on the principle of a harmonic oscillator, which means that individual strokes cannot be implemented or are difficult to implement. However, to be able to implement a controlled machine process for machine hammer peening, an actuator based on reluctance, which enables a discrete deflection of the hammer head in time and distance was developed at the Institute for Manufacturing Engineering and Photonic Technologies at the Vienna University of Technology. The subject of the present work is the experimental investigation and optimization of this new actuator system, which works according to the electromagnetic principle. In a first step, the actuator system was tested in a machine tool with different input parameters and the behavior under various load tests was determined. With the gained knowledge, the actuator was structurally revised in a second step and reassembled with the changes made. The revised actuator system was then subjected to a new series of tests to verify the expected improvement. With the tests carried out and the changes made to the actuator, significant progress was made in terms of active power. The pull-out forces which can be generated by the actuator, the contact forces hitting the workpiece surface and the introduced kinetic energy could be considerably increased. Only the thermal behavior of the system could not keep pace due to the numerous improvements in the performance of the actuator and requires further investigation. This serves as a starting point for future research in which a prediction of the experimental results could be made with the help of numerical models, especially in thermal analysis.