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Schwingungsreduzierung bei der Dreh- und Fräsbearbeitung von Leichtbaumaterialien durch den Ein­satz strahl­ge­schmolz­ener Werkzeugaufnahmen

Eine zentrale Problemstellung in der spanenden Fertigung ist das Auftreten von Schwing­ung­en des Systems Spindel-Werkzeugaufnahme-Werk­zeug. Hier­durch wird die Qua­li­tät der gefertigten Werkstücke beeinträchtigt und die Werkzeugstandzeit sowie die Lebensdauer der Maschinenkomponenten deut­lich verkürzt. Für die Fertigung von Leichtbaukomponenten aus Titan oder Aluminium stellen diese Schwingungszustände eine be­son­de­re Herausfor­derung hinsichtlich einer effizienten aber auch sicheren Prozessauslegung dar.

Zur Reduzierung der Werkzeugschwingungen besteht die Mög­lich­keit der Ver­wendung von dämpfenden Werkzeugsystemen, wobei zwischen aktiven und passiven Me­tho­den zur Schwingungsdämpfung unterschieden wird. Systeme zur aktiven Dämpfung auftretender Werkzeugschwingungen erfordern den Ein­satz dynamischer Zusatzsysteme wie Aktoren und Sensoren. Dahingegen ist für die passive Schwingungsdämpfung lediglich eine konstruktive Modifikation des Werkzeughalters not­wen­dig. Dabei ist es das Ziel, die Schwingungsenergie in eine andere Energieform (z. B. Reibungsenergie) umzuwandeln. Beispiels­weise kön­nen applizierte Zusatzelemente am Werkzeughalter aufgrund der erhöhten Reibung das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten des Halters ver­bessern. Darüber hinaus besteht eine wei­tere Mög­lich­keit der passiven Schwin­gungsdämpfung in der Applikation von Zusatzmassen am Werkzeughalter, dessen Eigenfrequenz sich durch das erhöhte Gewicht verschiebt.

Im Rah­men dieses Forschungsvorhabens, das von der Deut­schen Forschungs-gemeinschaft (DFG) ge­för­dert wird, wird die passive Schwingungsdämpfung durch eine Modifizierung der konstruktiven Gestaltung der Werkzeugauf­nahmen für die Dreh- (TiAl6V4) und Fräsbearbeitung (Al7075) fokussiert. Die Herstellung der Werkzeugaufnahmen erfolgt dabei additiv durch das Ver­fah­ren des Selektiven Laserschmelzens (SLM), wodurch Hohlelemente oder auch fachwerkähnliche Strukturen im Inneren der Aufnahmen realisiert wer­den kön­nen. Eine derart modifizierte Strukturierung beeinträchtigt bereits ohne wei­tere konstruktive Maß­nahmen das Schwingungs- und Dämpfungsverhalten der Werkzeugaufnahmen. Darüber hinaus ergibt sich die Mög­lich­keit, die Hohlräume mit schwingungsdämpfenden Ma­te­ri­alien oder Pulvern zusätzlich aufzufüllen. Dabei haben neben den spezifischen Werkstoffeigenschaften der ver­wen­de­ten Füllpartikel au­ßer­dem die Partikelgröße, die Fülldichte und das Füllvolumen einen Ein­fluss auf die Eigenfrequenzen der Werkzeugaufnahmen. Zusätzlich gilt es, bei der Konstruktion der Fräsaufnahmen sowie bei der Befüllung der Hohlelemente die Entstehung von Unwuchten zu vermeiden.

© ISF
Schwingungsdämpfung durch innenstrukturierten, partikelgefüllten WSPH

Die Abbildung zeigt eine Gegenüberstellung des dy­na­misch­en Einsatzverhaltens eines konventionellen Wendeschneidplattenhalters (WSPH) mit ei­nem additiv hergestellten und durch eine Vielzahl verknüpfter Oktaederstumpfelemente innenstrukturierten WSPH bei der Drehbearbeitung von TiAl6V4. Während bei der Referenz ausgeprägte Werkzeugschwingungen erkennbar sind, wirkt das 50 % partikelgefüllte Hohlelement im Werkzeugschaft signifikant schwingungsdämpfend. Verglichen mit dem Referenzhalter weist der mit Wolframkarbid-Zirkondioxid(WC-ZrO2)-Partikeln teilgefüllte WSPH sowohl in Schnitt- als auch in Vorschubrichtung deutlich verringerte Beschleunigungsspitzen und gleichermaßen stark reduzierte Amplituden im Eigenfrequenzbereich auf.

Die aus den Drehversuchen erlangten Erkennt­nisse wurden bereits er­folg­reich auf die hybride Herstellung von HSK63-Aufnahmen für die Fräsbearbeitung von Al7075 übertragen. Während dabei zu­nächst eine vereinfachte, torusförmige Kavität betrachtet wurde, liegt der Fokus folgender Un­ter­su­chun­gen auf einer Anpassung der Hohlelementgeometrie sowie einer zusätzlichen In­te­gra­ti­on der entwickelten Oktaederstumpf-Innenstruktur.

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Vom Autobahnkreuz Dort­mund/Unna auf die A44 Rich­tung Dort­mund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dort­mund-Dorstfeld, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

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Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Cam­pus Nord und den kleineren Cam­pus Süd. Zu­dem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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