Meilensteine des FEM-Einsatzes im Entwicklungsprozessspanender Werkzeugmaschinen -Eine Zwischenbilanz. Gerhard Kehl Hochschule Esslingen

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1 Meilensteine des FEM-Einsatzes im Entwicklungsprozessspanender Werkzeugmaschinen -Eine Zwischenbilanz Gerhard Kehl Hochschule Esslingen

2 Meilensteine des FEM-Einsatzes Beispiel: Gebr. HELLER Maschinenfabrik GmbH, Nürtingen Statik Verformungsanalyse Topologieoptimierung Dämpfungsdiskretisierung Modellreduktion Integration der Regelung Virtuelle Geometrieabnahme Rotordynamik Thermische Simulation Integration des Zerspanprozesses? 2

3 Virtuelle Geometrieabnahme -Statische Genauigkeit am digitalenmodell überprüfen -Unter- und Überdimensionierungzentraler Bauteile erkennen/vermeiden Wasviel hält, hältauch wenig Wanderlastverhalten Quelle: DIN ISO 10791: Prüfbedingungen für Bearbeitungszentren 3

4 Verformungsanalyse -Lokale Unter- und Überdimensionierungsystematischaufspüren -Verantwortliche Konstrukteureoder Lieferantenidentifizieren Beispiel: Langes, schlankeswerkzeug führtzu dominantem Verformungsanteil Gühring 24 PKD-Fräser(z=4) 75% 1% 1% 1% 3% 2% 5% 1% 4% Komponentenbezogene Verformungsanteile 1% 2% 4% Werkstück Vorrichtung Palette Rundtisch Z-Führung Maschinenbett X-Führung Maschinenständer Y-Führung Vertikalschlitten Frässpindel Werkzeug Quelle: Heller 4

5 Topologieoptimierung -Lastgerechteund fertigbarestrukturen mit hoher Steifigkeit/Masse -Produktivität der Maschine durch höhere Achsdynamik steigern Statische Topologieoptimierung eines Maschinenbettes mit>60 gewichteten Lastfällen Prozesskräfte (statisch) Wanderlasten(Gewichtskräfte) Beschleunigungslasten (quasi-statisch) so einfach geht s nicht Praktischnachweisbare Erfahrungen StatischeSteifigkeit % Maschinengenauigkeit(Geradlinigkeitder Bewegung) % Masse von Großgussteilen(Materialkosten) % Typkosten fürmodellbau % Positionierzeitender Vorschubachsen -33-8% Prozessstabilität unterschiedlicherzerspanprozesse % Optimierungsziele im Nachgiebigkeitsfrequenzgang Kopplung mit Zerspanprozessmodellen Altstädter,H.: Topology Optimization of amachine Module with the Finite Element MethodunderConsideration of Static and Dynamic Loads,2009 Quelle: Hüller Hille GmbH +Heller 5

6 Dämpfungsdiskretisierung -Dyn. Nachgiebigkeitzwischen Werkzeugund Werkstückminimieren -Einflussvon Maschinenelementenauf Systemdämpfungerkennen Materialdämpfung Lage-, Drehzahlregelung aktive Dämpfung Diskrete,linearisierte Dämpfer Aufstellelemente Wälzführungen Wälzlager Kupplungen Fundament/Geschoss Kugelgewindetriebe Getriebe Abstreifer Abdeckungen Energieketten Pneumatikzylinder Fügestellen Parameter bekannt weitgehend bekannt wird untersucht oder Linearisierung schwierig Aufstellelemente vertikale/horizontalesteifigkeiten und Dämpfungen experimentell ermittelt und Ersatzmodelleerstellt (last-und frequenzabhängig) bislang ca. 50% der Systemdämpfung den Dämpfungseffektenzuzuordnen modale Dämpfungweiterhin erforderlich Quelle: WZLAachen +Heller 6

7 Integration der Regelung -MechatronischesFührungs- und Störverhalten im Frequenz- und Zeitbereich realitätsnahsimulieren (gekoppelt oder integriert) gemessenenachgiebigkeitsfrequenzgänge Mechanik +Antriebs- und Regelungstechnik = Mechatronik Wechselwirkungen deutlicher Einfluss der Regelung auf die niederfrequente Nachgiebigkeit über 100 Hz steht die Mechanik alleine da 7

8 Rotordynamik Gleitbedingungen an Buchsen, Löseeinrichtung, Gleitlagern u.s.w. -Kernkompetenzträger Spindel im Betrieb (z.b min -1 ) analysieren -Einflussvon Unwuchten (z.b. Fräswerkzeug) beurteilen Gleitbedingungen an Buchsen, Löseeinrichtung, Gleitlagern u.s.w. Werkzeug Unwuchten an Werkzeugund Spindel Spindellager Hohlschaftkegel Kupplung Motorlager Motor-Gehäuse- Passung gemessenenachgiebigkeitsfrequenzgänge drehzahlabhängige dynamische Nachgiebigkeit geringe gyroskopische Einflüsse Quelle: Heller 8

9 Integration des Zerspanprozesses -Prozessstabilitätder Maschine (incl. WZ,WS,Vorrichtung) erhöhen -Aufwändige Versuchsreihen(Entwicklung, Inbetriebnahme)vermeiden Schnitttiefe instabil stabil Spindeldrehzahl x(t) F(t) Zerspankraftmodell Linearisierte Zerspankraftmodelle fürs Fräsen und Drehen in FEM integrieren Loops transienter Berechnungen über Werkzeugdrehwinkel Schnitttiefe Drehzahl Stabilitätskriterium: Modulation der Spandicke Ratterfrequenz aus spektraleranalyse Schwingungsform... konstruktive Maßnahmen Quelle: Heller 9

10 Zwischenbilanz FEM-Einsatz hat den Entwicklungsprozessvon Werkzeugmaschinenbeschleunigt, die Anzahl der physikalischenprototypen reduziert und den Kundennutzen erhöht Integration von Regelung, Rotordynamik, Prozessmodellen... ermöglicht effiziente und genaue Abbildung des Systemverhaltens Konstruktionsbegleitendnutzbare FEM-Modelle verlangen weiter detaillierte Dämpfungsdiskretisierung Thermische Simulation realer Prozessbedingungenerfordert weiterentwickelte und effiziente Methoden zur Unterstützungdes Entwicklungsprozesses Momentan im Fokus: Prozessstabilitätund Qualitätsmerkmaledes Werkstück(z.B. Rautiefe) als Bewertungskriterium im Entwicklungsprozess WeitereZerspanprozesseaußer Fräsen und Drehen? Erweiterung von stationären Prozessbedingungen zu realen Bearbeitungsfolgen? Ermittlung optimalerprozessparameterzur vollen Ausnutzung der installierten Maschinenleistung 10

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