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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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