Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einsatz von Formgedächtnislegierungen zur Bedämpfung von Werkzeugschwingungen im Fräsprozess

In Werkzeugmaschinen tragen dämpfende Eigenschaften maßgeblich zu einer stabilen Bearbeitung und damit zu einer besseren Maßhaltigkeit der Werkstücke bei. Derzeitige Ansätze zur Lösung von Stabilitätsproblemen sind häufig maßgeschneiderte und damit kostenintensive Lösungen. Ein innovativer Lösungsansatz ist der Einsatz von Formgedächtnislegierungen (FGL) zur Herstellung von schwingungsdämpfenden Elementen. FGL sind multifunktionale Werkstoffe, die besondere elastische, sensorische als auch aktorische Eigenschaften aufweisen.

Das Forschungsziel besteht darin, durch die Ausnutzung der pseudoelastischen Eigenschaften dieser Werkstoffe die Bedämpfung von Werkzeugschwingungen im Fräsprozess an der Schnittstelle Werkzeug/Werkzeughalter zu realisieren. Dies soll durch im Haupt- und Nebenkraftfluss implementierte Dämpfungselemente erreicht werden. Zu Beginn des Lösungswegs stehen die konzeptionelle Ausarbeitung der geplanten Anwendungsszenarien, sowie die Untersuchung der grundlegenden Dämpfungseigenschaften von pseudoelastischen FGL. Des Weiteren erfolgen dynamische Untersuchungen sowie die Simulation und Erstellung der Dämpfungselemente. Diese werden in den Bearbeitungsprozess integriert und in Analogieprüfständen untersucht. Außerdem werden die Erkenntnisse in die VDI 2248 aufgenommen.

Die angestrebten Ergebnisse umfassen die Qualifizierung und Optimierung von Dämpfungseigenschaften verschiedener FGL, sowie deren Herstellung und Eigenschaftssimulation. Die Ergebnisse der Untersuchungen sollen dazu genutzt werden, Prozesse und Werkzeuge schwingungstechnisch zu beruhigen. Für KMU bestehen oft nur begrenzte Möglichkeiten schwingungsdämpfende Maßnahmen auf der Basis von smarten Materialien wie FGL zu erforschen. Durch die Erkenntnisse ist ein technischer und wirtschaftlicher Nutzen infolge besserer Werkstückoberflächen und höherer Maßhaltigkeit zu erwarten. Weitere positive Effekte sind längere Werkzeugstandzeiten, geringere Fehleranfälligkeit und erhöhter Maschinenschutz.

Ergebniszusammenfassung:

- Zur Bereitstellung der FG-Dämpfungselemente für die Versuchs- und Erprobungsphase wurde ein Prozess entwickelt, der eine reproduzierbare Fertigung in der geforderten Genauigkeit ermöglicht und dabei die sensiblen Eigenschaften der Legierungen nicht durch mechanische oder thermische Einwirkung beeinflusst. Es wurden Elemente aus unterschiedlichen FG-Drahthalbzeugen mit variierenden Legierungsanteilen hergestellt.

- Die Untersuchung der Eigenschaften der FG-Elemente wurde unter geringen und hohen dynamischen Druckbelastungen untersucht sowie unter dem Einfluss verschiedener Einflussparameter. Zu diesen Parametern zählt die Wärmebehandlung, die Legierungszusammensetzung, die Vorzyklierung, die Umgebungstemperatur, die Einspannsituation und die Frequenz. Hierzu wurde u. a. ein Dynamikprüfstand erstellt. Generelles Dämpfungspotential konnte in den Versuchsreihen in Form der Umwandlungshysterese nachgewiesen werden. Durch die Variation der Einflussparameter ist es möglich die Dämpfungseigenschaften zu beeinflussen und an spezifische Anwendungsszenarien anzupassen.

- Es wurden FEM-Simulationen hinsichtlich der Spannungs-Stauchungs-Charakteristik der fokussierten Dämpfungselemente mithilfe der Simulationssoftware Ansys durchgeführt. Hierbei konnte ein charakteristischer, pseudoelastischer Kurvenverlauf nachgebildet werden und in iterativen Schritten die Anpassung an ausgewählte Versuchskurven erfolgen.

- Hinsichtlich des fokussierten Anwendungsfalls in Form der Dämpfung an der Wendeschneidplatte wurden entsprechende Funktionsmuster mit integrierten Dämpfungselementen erstellt und auf Dynamikprüfständen und in der Bearbeitungsmaschine mithilfe von Beschleunigungssensoren vermessen. Hierbei konnte die Dämpfungswirkung der FG-Elemente im anwendungsnahen Zustand nachgewiesen werden.