Simulative und experimentelle Untersuchung des Rotationsunrunddrehens zur hochproduktiven Herstellung unrunder Bauteilquerschnitte

Von medizinischen Implantaten mit bionischer Formgebung, über Nockenwellen und Exzenter-Bauteile im Maschinenbau bis hin zu Hochleistungs-Welle-Nabe-Verbindungen in der Antriebstechnik: Unrunde Bauteilquerschnitte finden sich in vielfältigen technischen Anwendungsfällen. Für deren spanende Fertigung sind heute in der Regel mehrstufige Prozessketten notwendig, was eine enorme Herausforderung für die Wirtschaftlichkeit ist. In diese Lücke fügt sich das neu-entwickelte, innovative und hochproduktive Rotationsunrunddrehen ein. Dabei kommt ein Werkzeug mit unrunder Kontur zum Einsatz, dessen Form unter Nutzung der kinematischen Kopplung in Grenzen auf das Bauteil übertragen werden kann.
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Vorliegende Arbeit befasst sich mit der simulativen und experimentellen Charakterisierung des Rotationsunrunddrehens, um fundierte Kenntnisse für eine industrielle Umsetzung des Verfahrens zu erlangen. Dazu wird der Prozess auf Basis der geometrischen Durchdringungsrechnung modelliert, um die Werkzeugkontur und die vom Ort und von der Zeit abhängigen Prozesskenngrößen zu berechnen. Anhand eines Referenzprozesses wird die generelle Machbarkeit des Verfahrens gezeigt und das Prozessmodell validiert. Innerhalb von detaillierten simulativen und experimentellen Einflussanalysen folgt die Identifikation grundlegender Zusammenhänge zwischen Prozessstell-, Prozesskenn- und den Zielgrößen Prozesskraft, Geometrietreue und Oberflächenrauheit der hergestellten Bauteile. Dabei wird unterschieden, ob mit gegebener Werkzeugkontur oder in Abhängigkeit der Kinematik mit neuberechneter Werkzeugkontur gearbeitet wird. Zudem werden die Betrachtungen mithilfe parametrischer Bauteilquerschnitte verallgemeinert, um die geometrischen und prozessseitigen Freiheitsgrade des Rotationsunrunddrehens einzugrenzen. Schließlich wird das Verfahren vom Labormaßstab anhand zweier konkreter Anwendungsfälle ins seriennahe Umfeld übertragen und dort erprobt. Gegenüber den konventionellen Fertigungsrouten ergeben sich dabei durch Nutzung des Rotationsunrunddrehens signifikante Einsparungen in der Fertigungszeit bei gleichwertiger oder sogar verbesserter Bauteilqualität.

From medical implants with bionic shapes, camshafts and eccentric components in machinery to high-performance shaft-hub connections in drive technology: Components with non-circular cross-sections can be found in a wide range of technical applications. Today, multi-stage process chains are usually necessary for their machining. This poses an enormous challenge to economic efficiency. The newly developed, innovative, and highly productive process Non-Circular-Rotary-Turning fills this gap. It involves the usage of a tool with a non-circular contour, whose shape can be transferred to the component within certain limits using the principle of kinematic coupling.
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The objective of this work is the characterization of Non-Circular-Rotary-Turning using simulation and experiments in order to gain profound knowledge for industrial implementation of the process. For this purpose, a geometric dexel-based simulation is utilized in order to calculate the tool contour and the cutting conditions, which are depend on location and time. A reference process is used to demonstrate the general feasibility of the process and to validate the process model. Detailed simulation and experimental influence analyses are conducted to identify fundamental relationships between process parameters, cutting conditions and targets such as process forces, geometric accuracy and surface roughness of the manufactured workpieces. It is distinguished if a given tool contour is used or if the tool contour is newly calculated depending on the process kinematics. In addition, the considerations are generalized taking the components cross-section into account in order to localize the geometric and process-related degrees of freedom. Finally, the process is transferred from the laboratory scale to a near-series environment using two specific application cases. Compared to conventional process chains, the use of Non-Circular-Rotary-Turning results in significant savings in
production time with equivalent or even improved component quality.