Untersuchung schwingungsüberlagerter Zerspanprozesse scheibenförmiger Werkzeuge

Abstract

Zunehmende Forderungen nach leistungsfähigeren Produktionsprozessen treiben die Implementierung neuer Technologien im Umfeld der Metallzerspanung voran. Zur Effizienzsteigerung des Kreissägeprozesses wird in der vorliegenden Arbeit der Ansatz einer durch Ultraschallschwingungen induzierten Reibungsreduzierung am Anwendungsfall scheibenförmiger Werkzeuge untersucht. Mit Hilfe numerischer Analysen gelang erstmals die rechnerische Vorhersage der 20 kHz Betriebsschwingform scheibenförmiger Werkzeuge als Folge einer axialen Schwingungsanregung im Bereich der Bohrungsmitte. Die Modellvalidierung erfolgt durch den Abgleich numerisch ermittelter Betriebsschwingformen mit den Knotenkreisen experimentell visualisierter Chladnischer Klangfiguren. Am Beispiel eines monolithischen sowie eines hartmetallbestückten Versuchswerkzeugs konnte dadurch nachgewiesen werden, dass die Vorhersage der Betriebsschwingformen durch die FEM zuverlässig möglich ist. Eine tiefergehende Analyse der Schwingungskinematik zeigt eine dreidimensionale Kippbewegung der Werkzeugschneide, welche sich wesentlich von Kinematiken bisher bekannter Longitudinalschwinger unterscheidet. Die Auswirkungen dieser mehrachsigen Schneidenkinematik im Zerspanprozess werden anhand experimenteller Zerspanversuche untersucht. Die Prozessbetrachtung erfolgt jeweils mit und ohne Ultraschallüberlagerung im orthogonalen Schnitt und im Sägeversuch. Unter optimalen Bedingungen, wie niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und kleinen Spanungsdicken, war in Folge der Ultraschallschwingung eine Reduktion der gemittelten Prozesskräfte von bis zu 60 % zu verzeichnen. Damit einhergehend konnte eine deutliche Verringerung der Spanstauchung beobachtet werden. Zudem werden einschränkende Aspekte der ultraschallüberlagerten Zerspanung behandelt, wie der Einfluss steigender Spanungsdicken oder Schnittgeschwindigkeiten sowie die Behinderung der Ultraschallschwingung in Abhängigkeit von der Schneidengeomtrie.

Demands for more efficient production processes are driving the implementation of new technologies in metal-cutting. In the present work, the approach of ultrasonic induced friction reduction is investigated in the application case of disk-shaped tools in order to increase the efficiency of the circular-sawing process. With the help of numerical analyses, the computational prediction of the 20 kHz operating vibration mode of disk-shaped tools - as a result of an axial vibration excitation in the area of the bore center - was achieved for the first time. Model validation is performed by matching numerically determined operating vibration modes with the nodal circles of experimentally visualized Chladni sound figures. Using the example of a monolithic as well as a carbide-tipped tools, it was possible to demonstrate within experiments that the prediction of the operating vibration modes by the FEM is reliably possible. A deeper analysis of the vibration kinematics shows a three-dimensional tilting motion of the tool cutting edge, which differs significantly from kinematics of previously known longitudinal oscillators. The effects of this multi-axis cutting kinematics in the machining process are investigated by means of experimental machining tests. The process analysis is carried out with and without ultrasonic superposition in the orthogonal cut and in the sawing test. Under optimal conditions, such as low cutting speeds and small chip thicknesses, a reduction in the average process forces of up to 60 % was recorded as a result of ultrasonic vibration. Along with this, a significant reduction in chip compression was observed. In addition, limiting aspects of ultrasonic superimposed machining are dealt with, such as the influence of increasing chip thicknesses or cutting speeds as well as the obstruction of ultrasonic vibration depending on the cutting-edge geometry.