Zerspanungsforschung Industrie-4.0-Einsatz dämpft Schwingungen im Zerspanungsprozess

Vibriert es bei der Zerspanung, sinkt die Bearbeitungsqualität und die Werkzeugstandzeit. Ein Forscherteam eliminiert das Problem jetzt auf smarte Art und Weise.

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Schwingungen während der Fräsbearbeitung mindern die Prozessleistungsfähigkeit und führen zu raueren Oberflächen sowie zu hohem Werkzeugverschleiß und Werkstückausschuss. Um Schwingungen zu minimieren, setzen in Unternehmen oft auf die Trial-and-Error-Methode für die Prozessauslegung, heißt es. Das kostet Zeit und Geld. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT aus Aachen entwickelte deshalb im zweijährigen Forschungsprojekt „Fixtronic“ gemeinsam mit Partnern ein Spannsystem und eine Simulationssoftware, um Schwingungen bequem während der Fräsbearbeitung systematisch zu minimieren.

Ein System, das von selbst auf Prozessprobleme reagieren kann

Ziel des Projekts „Fixtronic“ war es, ein System zu entwickeln, das selbstständig auf dynamische Veränderungen im Fräsprozess reagiert und Schwingungen sowie Instabilitäten aktiv verringert, erklären die Beteiligten. Dazu entwickelten sie einerseits ein aktives Spannsystem für das Werkstück und andererseits eine Simulationssoftware, die die Spindeldrehzahl so optimiert, dass Eigenschwingungen des Werkstücks nicht angeregt werden.

Vernetzte Spannsysteme dämpfen Schwingungen aktiv

Zur aktiven Stabilisierung des Fräsprozesses integrierten die Aachener Forscher Sensoren in ein Spannsystem, mit denen sich der Zustand des Werkstücks während der Fräsbearbeitung überwachen lässt, wie es weiter heißt. Piezoaktoren erzeugen dann bei Bedarf eine gezielte, kompensierende Gegenschwingung auf das Werkstück, um die Vibrationen des Fräswerkzeugs zu minimieren. Versuche zeigten, dass sich mit dieser Methode die Schwingungen im Werkstück selbstständig um mehr als 70 % reduzieren lassen.

Das Spannsystem ließe sich zudem mit der Werkzeugmaschine vernetzen, sodass eine effektive Echtzeitüberwachung des Werkstücks möglich sei, die den Fräsprozess insgesamt stabilisiere. Das aktive Spannsystem wird damit selbst zu einem so genannten cyberphysischen Produktionssystem (CPPS) im Sinne der Industrie 4.0.

Simulation vermeidet kritische Drehzahlen

Um die Schwingungen des Werkstücks noch weiter zu reduzieren, nutzen die Ingenieure des Fraunhofer IPT außerdem eine selbst entwickelte Simulationssoftware. Mit ihr lässt sich der Fräsprozess bereits vor der eigentlichen Bearbeitung simulieren und sich so schon in diesem frühen Stadium etwaige kritische Spindeldrehzahlen vermeiden, die zu einer problematischen Anregung der Eigenfrequenzen des Werkstücks führen könnten.Für die Software entwickelten die Aachener Forscher nach eigenen Angaben ein sogenanntes „Multi-Frequenz-Stabilitätsdiagramm“, das die Veränderungen der Werkstückgeometrie während der Bearbeitung berücksichtigt. In Versuchen konnte bereits nachgewiesen werden, dass sich die Schwingungen durch den Einsatz der Software nochmals deutlich verringern lassen: Die Oberflächenrauheit der getesteten Bauteile konnte demgemäß um mehr als 50 % gesenkt werden. Das zweijährige Projekt wurde im Rahmen des Programms „Leitmarktwettbewerb Produktion.NRW“ gefördert. Die Projektpartner waren:

• Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT, Aachen;

• Fraunhofer-Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM, Paderborn;

• CP autosport GmbH, Büren;

• Innoclamp GmbH, Aachen;

• WBA Aachener Werkzeugbau Akademie GmbH, Aachen.

Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal MM Maschinenmarkt erschienen.

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