Verfahren zur Präzisionswuchtung an Werkzeugmaschinen

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines übergeordneten Modells zur Beschreibung der erreichbaren Bauteilqualität (Topographie, Formtreue etc.) als Funktion des Wuchtzustandes und der Strukturkonfiguration am Beispiel der spanenden Ultrapräzisionsbearbeitung. Zur spanenden Fertigung von Komponenten in optischer Qualität sind hochgenaue Werkzeugmaschinen und Diamantwerkzeuge eine notwendige Voraussetzung. Aus Unwuchten resultie-rende Schwingungen können maßgeblich zu einer signifikanten Verringerung der Oberflächenqualität führen. Derzeit wird die jeweils bestmögliche Wuchtung realisiert und anschließend die erreichte Bauteilqualität überprüft, unabhängig davon, ob der hohe Aufwand für die hochgenaue Wuchtung gerechtfertigt ist. Hier besteht ein erhebliches Potenzial zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit des Prozesses, zum einen, wenn eine Prognose der erreichbaren Bauteilqualität in Abhängigkeit des Systemzustandes durch übergeordnete integrierte Parameter bereits während der Prozessauslegung möglich wäre, zum anderen durch das Verkürzen des Auswuchtprozesses durch die Berechnung von Ausgleichsgewichten. Abstrakt lässt sich der Zusammenhang von Unwuchten eines rotierenden Systems und den daraus resultierenden Schwingungen über eine (u.U. nichtlineare) Differentialgleichung beschreiben. Die Berechnung der Unwucht bzw. die Bestimmung von Auswuchtsetzungen aus Schwingungsmessdaten erfordert die Lösung eines inversen schlechtgestellten Problems. In diesem Projekt sollen Methoden entwickelt werden, die eine mathematische Bestimmung von Unwuchten aus Schwingungsdaten auf der Grundlage eines Modells der betrachteten Werkzeugmaschine ermöglichen. Bei vorgegebenen Wuchtebenen soll zusätzlich eine bestmögliche Auswuchtempfehlung gegeben werden. Darüber hinaus soll der Zusammenhang zwischen den verbliebenen Restschwingungen und der erreichbaren Oberflächenqualität bestimmt werden. Dieses Forschungsprojekt erfolgt in Kooperation mit dem Labor für Mikrozerspanung (LFM) an der Universität Bremen (Prof. Brinksmeier, separater Antrag). Vom LFM werden einerseits die zur Systemanalyse notwendigen Daten geliefert. Andererseits können die am RICAM und am ZeTeM berechneten Prognosen am LFM experimentell überprüft.

Zur spanenden Fertigung von Komponenten in optischer Qualität, wie astronomischen Spiegeln, sind hochgenaue Werkzeugmaschinen eine notwendige Voraussetzung. Abhängig von der Oberfläche des Werkstücks, z.B. plane, sphärische oder nicht-sphärische, ist das Werkstück axial oder außeraxial in die Werkzeugmaschine einzuspannen. Dadurch kommt es zu erheblichen Unwuchten der Spindel, was in der Bearbeitung zu einer signifikanten Verringerung der Oberflächenqualität führt. Der sehr aufwändige Prozess der Auswuchtung erfolgt bisher manuell durch das Anbringen von Ausgleichsmassen in der Aufspannfläche bis der bestmögliche Wuchtzustand erreicht ist. Ziel dieses Projektes die Entwicklung eines übergeordneten Modells zur Beschreibung der erreichbaren Bauteilqualität (Topografie, Formtreue etc.) als Funktion des Wuchtzustandes und der Strukturkonfiguration am Beispiel der spanenden Ultrapräzisionsbearbeitung. Damit kann nicht nur die Oberflächenqualität für eine bestimmte Wuchtgüte bestimmt werden, sondern auch umgekehrt zu einer erforderlichen Oberflächenqualität die notwendige Wuchtgüte. Das erspart unnötigen Aufwand beim Auswuchten. Das Projekt ist eine Kooperation mit dem Labor für Mikrozerspanung (LFM) und dem Zentrum für Technomathematik (ZeTeM) der Universität Bremen. Das Projekt ist insgesamt auf 4 Jahre angelegt und in Abschnitte von zweimal 2 Jahren unterteilt. Im ersten Projektabschnitt, der Inhalt dieses Berichtes ist, wurde von Seiten des RICAM ein Strukturmodell der beim LFM installierten Versuchplattform erstellt, das die Berechnung der Schwingungen der Maschine für gegebene Lasten wie Unwuchten und Bearbeitungskräfte erlaubt. Gleichzeitig entstand am ZeTeM ein Modell zur Beschreibung der Kräfte am und Auslenkungen des Werkstücks während des Bearbeitungsprozesses. Beide Aspekte beeinflussen einander, was eine Kopplung beider Modelle in einem Zeitschrittverfahren notwendig macht. Aus den Auslenkungen am Werkstück, die nun auch die Unwuchten der Maschine berücksichtigen, kann die Oberfläche des fertigen Werkstücks und deren Qualität bestimmt werden. Dieser Teil der Modellierung lag wiederum beim ZeTeM. Das entstandene Gesamtmodell erlaubt die Vorhersage der Oberflächenqualität für eine gesetzte Unwuchtverteilung in der Maschine. Außerdem ist es möglich, mit Hilfe des am RICAM entwickelten Strukturmodells aus Schwingungsmessungen an der Maschine ohne den Einfluss der Bearbeitung auf die vorhandene Unwucht zu schließen und entsprechende Wuchtgewichte zu berechnen. Im zweiten Abschnitt sollen diese Arbeit bis zur Erreichung des oben genannten Zieles fortgeführt werden.