Dämpfung von Bauteilschwingungen durch einstellbare Werkstückdirektspannung mit Hydrodehnspanntechnik

Bei der Bearbeitung dünnwandiger Bauteile werden während des Fräsprozesses durch den Zahneingriff Festkörperschwingungen im Werkstück induziert, welche in Form von Biege- und Torsionsschwingungen auftreten. Diese können das Bearbeitungsergebnis hinsichtlich Formgenauigkeit und Oberflächengüte negativ beeinflussen und sind deshalb besonders bei Schlichtprozessen zu reduzieren, um teure und aufwändige Nacharbeiten zu vermeiden.
Die Werkstückspanntechnik bietet aufgrund ihrer Lage im Kraftfluss Potential zur Dämpfung von Bauteilschwingungen. Bisherige Arbeiten fokussieren auf aufwändige aktiv geregelte Systeme oder passiv dämpfende Spanntechnik, welche keine Einstellbarkeit der Dämpfungswirkung erlauben. ... mehrDie vorliegende Arbeit hingegen untersucht einen semi-passiven Ansatz zur Dämpfung und Beeinflussung von Bauteilschwingungen dünnwandiger Bauteile mittels Werkstückdirektspannung. Durch die Einstellbarkeit der axial auf einen mit dem Werkstück verbundenen Spannbolzen wirkenden Einzugskraft und der radial wirkenden Hydrodehnspannung werden die Schwingungseigenschaften des Bauteils hinsichtlich Eigenfrequenz, Dämpfung sowie dynamische Nachgiebigkeit beeinflusst. Anhand eines Funktionsmusters mit Demonstratorbauteil kann gezeigt werden, dass durch die Hydrodehnspannung eine dreifach höhere Dämpfung der Biegemode erzielt wird. Durch die zusätzliche Optimierung der Fuge zwischen Bauteil und Spannmittel wird ein Dämpfungsgrad von bis zu 6 % erreicht. Anhand eines Vorhersagemodells wird untersucht, inwiefern eine bauteilunabhängige Vorhersage der Dämpfungsgrade in Abhängigkeit der Spannkräfte möglich ist. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden abschließend Gestaltungsrichtlinien für eine anwendungsnahe Umsetzung von Werkstückdirektspannungssystemen mit Hydrodehnspanntechnik abgeleitet.

During the machining of thin-walled parts, solid body vibrations are induced in the workpiece
by the tooth meshing during the milling process, which occur as bending and
torsional vibrations. These can have a negative effect on the machining result in terms
of dimensional accuracy and surface quality and therefore have to be reduced, particularly
in finishing processes, in order to avoid expensive and time-consuming rework.
Due to its position in the force flow, workpiece clamping technology offers potential for
the damping of workpiece vibrations. Previous work focused on complex actively controlled
... mehr
systems or passive damping clamping technology, which does not allow the
damping effect to be adjusted.
On the contrary, the present work investigates a semi-passive approach to damp and
influence workpiece vibrations of thin-walled parts by means of direct workpiece clamping.
The vibration properties of the workpiece in terms of natural frequency, damping
and dynamic compliance are influenced by the adjustability of the axial pull-in force and
the radial hydraulic expansion clamping technology acting on a clamping bolt connected
to the workpiece. Using a functional prototype with a demonstrator part, it can be shown
that the hydraulic expansion technology achieves a three times higher damping of the
bending mode. By additionally optimizing the joint between the workpiece and the clamping
device, a damping ratio of up to 6% is achieved. A prediction model is used to
investigate the extent to which a component-independent prediction of the damping ratio
as a function of the clamping forces is possible. Finally, the findings are used to
derive design guidelines for the application-oriented implementation of workpiece direct
clamping systems with hydraulic expansion technology.