Werkstückaufspannnung

Andreas Mühlbauer,

Virtuelle Spannplanung reduziert Ausschuss

Heutzutage wird die Planung der Werkstückaufspannnung und der verwendeten Spannmittel meist vollständig manuell und iterativ durchgeführt. Durch mehrere Iterationsschleifen entstehen sowohl hohe Rüstkosten sowie auch Kosten durch notwendige Testbauteile.

Die virtuelle Spannplanung ermöglicht die Reduktion von Ausschuss während der Produktion. © IFW

Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickelt ein Tool zur virtuellen Spannplanung, mit dem sich eine optimale Werkstückaufspannung hinsichtlich geeigneter wirtschaftlicher und technologischer Kriterien automatisiert ableiten lässt. Dadurch lassen sich Fertigungs- und der Einrichtkosten sowie Ausschuss reduzieren und überflüssige Spannmittel einsparen.

Herausforderungen bei der Spannplanung

Insbesondere bei langen und nachgiebigen Werkstücken werden während der Spannplanung meist eine Vielzahl an Spannstellen für Spann- und Abstützelemente vorgesehen, um die prozessbedingte Verformung des Werkstücks zu reduzieren. Allerdings führt eine große Anzahl an Spannelementen zu hohen Anschaffungskosten und erhöhten Rüstzeiten. Hinzu kommt, dass die höhere Anzahl an Spannelementen die Zugänglichkeit des Werkstücks für das Werkzeug aufgrund der Zunahme von Störkonturen negativ beeinflusst. Hingegen können zu wenige Spannelemente zu Prozessinstabilitäten, wie Rattern oder zum Lösen des Werkstücks und somit zur Beschädigung der Maschine führen.

Neben dem sicheren Spannen werden die Spannelemente auch zum Versteifen und Abstützen des Werkstücks eingesetzt. Bei der erfahrungsbasierten Spannplanung werden im Zweifel eher zu viele Spannelemente zur sicheren Werkstückaufspannung eingesetzt. Aufgrund der hohen Anzahl an Spannelementen sind ein erhöhter Aufwand durch iterative Einrichtschritte in der Arbeitsvorbereitung und eine entsprechende Expertise des Personals erforderlich. Dies ist entsprechend mit hohen Kosten verbunden.

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Bild 1: Ablaufschema der virtuellen Spannplanung. © IFW

Teilautomatisierung durch virtuelle Spannplanung

Der Ablauf der am IFW entwickelten virtuellen Spannplanung teilt sich in sechs teilautomatisierte Schritte auf. Ein Ablaufschema ist in Bild 1 dargestellt. Zu Beginn wird die Konstruktion des gewünschten Bauteils in den freien CAD-Kernel OpenCascade importiert (Schritt 1). Zunächst definiert die bedienende Person hier die möglichen Spannflächen auf der Bauteiloberfläche (Schritt 2) und wählt aus einer Spannmitteldatenbank die gewünschten Spannmittel aus (Schritt 3). Zusätzlich werden die vorab abgeschätzten Prozesskräfte während der Zerspanung und das Zielkriterium für die Optimierung der Spannkonfiguration festgelegt. Ein beispielhaftes Kriterium ist die maximal zulässige Abdrängung, die auf Basis der geforderten Toleranzgenauigkeit des Bauteils abgeleitet wird. Auf Basis der definierten Randbedingungen wird ein Simulationsmodell erstellt und in der Simulationsumgebung Ansys Workbench automatisch ein Finite-Elemente-Modell erstellt (Schritt 4).

Alternativ lassen sich auch andere Simulationsumgebungen nutzen. Die ausgewählten Spannmittel werden als Feder-Dämpferelemente mit Steifigkeiten und Dämpfungen der realen Spannmittel abgebildet. Die nötigen Informationen über die mechanischen Eigenschaften der Spannmittel werden automatisch aus einer vorher zu erstellenden Datenbank übernommen. Ein Optimierungsalgorithmus prüft die Auswirkungen einer Vielzahl verschiedener Spannstellenkombinationen auf das vorab definierte Zielkriterium (Schritt 5). Der Algorithmus bricht beim Erreichen des Zielkriteriums ab und gibt in einer grafischen Darstellung das optimale Ergebnis der Spannplanung aus. Wenn beispielsweise eine maximal zulässige Abdrängung des Bauteils als Zielkriterium definiert wurde, wird die Abdrängung des Bauteils bei der definierten Prozesskraft und der optimierten Aufspannung dargestellt (Schritt 6).

Praktische Anwendung der virtuellen Spannplanung

Bild 2: Spannpositionen und Verformungen des Stringers. © IFW

Um das Potenzial der virtuellen Spannplanung zur Vereinfachung der Planung abzuschätzen, wurde die vorgestellte Methode im Vorfeld einer Bauteilbearbeitung beispielhaft durchgeführt. Für die Zerspanung wurde ein Flugzeugstringer-Analogiebauteil (Bild 2) aus einer Aluminiumknetlegierung EN AW-6060 definiert. Der Stringer hat die Abmessungen B = H = 100 mm und eine Wandstärke von w = 10 mm bei einer Länge von 800 mm. Aufgrund der Geometrie ist der Ausschnitt während der spanenden Bearbeitung anfällig gegenüber unzulässig hohen Abdrängung des Werkstücks während der Zerspanung.

Insbesondere an den beiden Enden und an Positionen mit einem großen Abstand zum nächsten Spannelement erfährt der Stringer aufgrund der hohen Nachgiebigkeit die höchsten Abdrängungen an der vertikalen Versteifung. Durch eine hohe Abdrängung wird entsprechend die Formgenauigkeiten negativ beeinflusst, was wiederum zu Ausschuss führen kann.

Bild 3: Simulierte Abdrängung einer erfahrungsbasierten und einer optimierten Aufspannung. © IFW

Daher wird für den Vergleich zur virtuell optimierten Werkstückaufspannung eine erfahrungsbasierte Spannplanung durchgeführt, bei der sechs Spannelemente nach Bild 3 (links) symmetrisch an beiden Enden und in der Mitte des Stringers positioniert und dadurch die Stellen mit einer hohen erwarteten Abdrängung des Stringers gespannt werden. Als Bearbeitungsprozess wurde ein Flankenfräsprozess an der vertikalen Flanke des Stringers definiert, da hier potenziell hohe Abdrängungen auftreten. Für den Auswertealgorithmus der virtuellen Spannplanung ließ sich eine Abdrängungskraft von FP = 400 N in Y-Richtung abschätzen.

Dabei sollen zum einen dieselbe oder eine geringere Anzahl an Spannelementen als bei der erfahrungsbasierten Werkstückaufspannung erforderlich sein. Zum anderen soll eine minimale prozessbedingte Abdrängung des Stringers erzielt werden. Als Kriterium zur Bewertung der Stringeraufspannungen wurde die seitliche Abdrängung dy der Stringerversteifung verwendet. In Bild 3 sind die erfahrungsbasierte und die durch die virtuelle Spannplanung optimierte Werkstückaufspannung dargestellt. Im nebenstehenden Diagramm ist die simulierte Abdrängung des Stringers in Y-Richtung dy über die Länge des Stringers in X-Richtung gezeigt.

Erkennbar zeigt sich bei der erfahrungsbasierten Werkstückaufspannung an den Positionen der Spannelemente mit dy = 100 µm die geringste Abdrängung. In den Bereichen zwischen den Spannelementen liegen hingegen die maximalen Abdrängungen mit dy = 150 µm vor, sodass sich eine mittlere Abdrängung dym = 130 µm ergibt. Die berechnete Ebenheit der Stringerversteifung beträgt somit Δy = 50 µm. Demgegenüber wurden bei der optimierten Werkstückaufspannung eine minimale Abdrängung von dy = 115 µm und eine maximale Abdrängung von dy = 130 µm berechnet. Dies ergibt mit dym = 125 µm eine um 4 Prozent geringere mittlere Abdrängung als bei der erfahrungsbasierten Aufspannung. Zudem hat das Profil einen gleichmäßigeren Verlauf, sodass sich eine um 70 Prozent reduzierte Ebenheit der Stringerversteifung mit lediglich Δy = 15 µm ergab.
Anhand der Simulationsergebnisse lässt sich festhalten, dass sich mittels der virtuellen Spannplanung eine Aufspannung mit weniger Schwenkspannern identifizieren ließ, für die eine signifikant geringere und gleichmäßigere Abdrängung prognostiziert wird.

Für die Praxis bedeutet dies, dass eine geringere Variation der Abdrängung an der Stringerversteifung vorliegt, was den maximalen Fehler deutlich reduziert. Des Weiteren lässt sich der Aufwand beim Rüsten durch weniger Spannmittel reduzieren und gleichzeitig die Bauteilqualität erhöhen. Abschließend ist festzuhalten, dass sich eine Abdrängung der Stringerversteifung mit den verwendeten Spannelementen grundsätzlich nicht vollständig vermeiden lässt, weil diese den Stringer nur am Sockel klemmen. Diese nicht beeinflussbare Durchbiegung ergibt einen wesentlichen Anteil der berechneten Abdrängung der Stringerversteifung in Y-Richtung. Auch bei einer Aufspannung an allen möglichen Spannstellen liegt daher eine Abdrängung an der Stringerversteifung vor, die etwa 100 µm entspricht.

Verifikation des Spannplanungsalgorithmus

Bild 4: Versuchsaufbau und Prozessparameter der Zerspanversuche. © IFW

Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurde der Flankenfräsprozess auf einem Fräszentrum DMU 125P mit einem Schaftfräser des Typs 3677-12,00 durchgeführt. Prozessparallel wurden mit einem Rotationsdynamometer des Typs 9123 C der Kistler Instrumente GmbH die Prozesskräfte am Fräser detektiert. Zudem wurden die Schwingungen am Werkstück mit einem Beschleunigungssensor des Typs PCB 356A16 aufgenommen. In Bild 4 sind der Versuchsaufbau und die eingestellten Prozessgrößen dargestellt.

Bild 5: Vergleich der simulierten und gemessenen Abdrängung. © IFW

Während der Zerspanung wurden mit dem Rotationsdynamometer bei beiden Aufspannungen Abdrängungskräfte in Y-Richtung zwischen F = 400 - 450 N detektiert. Für den Vergleich der Abdrängung der gefrästen Flanke beider Werkstückaufspannungen wurde auf der gefrästen Oberfläche mit einem Maschinenmesstaster die tatsächliche Abdrängung in Y-Richtung gemessen. Die simulierte (Bild 3) und die gemessene Abdrängung sind in Bild 5 vergleichend dargestellt. Für die erfahrungsbasierte Aufspannung wurde eine minimale Abdrängung von dy = 100 µm und eine maximale Abdrängung von dy = 170 µm detektiert, sodass sich eine mittlere Abdrängung von dym = 135 µm in Y-Richtung ergibt.

Folglich tritt eine mittlere Abweichung von 3,8 % zwischen den simulierten und den experimentell ermittelten Abdrängungen auf. Die bearbeitete Oberfläche weist ein welliges Profil mit einer Ebenheit von Δy = 70 µm auf und weicht somit 20 % von den simulierten Ergebnissen ab. Bei der optimierten Aufspannung wurde ebenfalls eine minimale Abdrängung von dy = 100 µm detektiert. Mit einer maximalen Abweichung von dy = 145 µm ergibt sich eine mittlere Abdrängung von dym = 123 µm in Y-Richtung. Die Ebenheit der bearbeiteten Stringerversteifung beträgt Δy = 45 µm. Experimentell konnte somit nachgewiesen werden, dass mittels der optimierten Werkstückaufspannung gegenüber der erfahrungsbasierten Aufspannung eine um 9,8 % geringere mittlere Abdrängung und eine um 35,7 % geringere Streuung in der Ebenheit gefertigt werden kann. Allerdings kann, wie bereits erläutert, keine vollständige Unterdrückung der Abdrängung durch die Variation der Spannelementanordnung erzielt werden.

Der Vergleich zwischen den simulierten und den gemessenen Ergebnissen zeigt, dass die mittlere Abdrängung in beiden Aufspannungen mit einer Abweichung kleiner als 4 % abgebildet wird. Die Ausprägungen der absoluten Abweichungen zwischen den simulierten und gemessenen Ergebnissen lassen sich auf die Diskrepanz zwischen den experimentell und simulativen Randbedingungen zurückführen. In der Simulation können idealisierte Randbedingungen exakt definiert und an allen Spannstellen gleichmäßig aufgebracht werden.

Im Gegensatz dazu sind die Randbedingungen in den Spannstellen (Spannkraft, Spannfläche, Steifigkeit) im Rahmen des Versuchs nicht überall gleich. Dadurch kommt es zum einen zu Abweichungen in der Gesamtsteifigkeit des gespannten Werkstücks. Zum anderen werden durch die Ungleichheit aller Spannstellen initiale Verformungen des Werkstücks (Spannverzug) hervorgerufen, die in der Simulation nicht auftreten. Diese Effekte führen zu Abweichungen zwischen der simulativ und experimentell ermittelten Werkstückabdrängung.

Zusammenfassung und Ausblick

Am IFW wurde ein Tool zur virtuelle Spannplanung entwickelt, mit dem eine Werkstückaufspannung teilautomatisiert erstellt wird. Mithilfe des entwickelten Tools lassen sich die während der Bearbeitung auftretenden Abdrängungen abschätzen. Dadurch kann die Werkstückaufspannung hinsichtlich geringer Formabweichung und einer geringen Anzahl an Spannelementen optimiert werden. Mit der Methode der virtuellen Spannplanung kann somit der Aufwand sowohl für das Rüsten und Einrichten des Prozesses, als auch der Aufwand für eine mögliche Nachbearbeitung des Werkstücks potentiell reduziert werden. Zukünftig ist es vorgesehen, die vorgestellte Methode auch auf komplexere Bauteile auszuweiten.

Danksagung

Das IGF-Vorhaben „Verfahren für die virtuelle Spannplanung in der Arbeitsvorbereitung“, IGF-Projekt Nr. 19591 N/1, wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Das IFW bedankt sich für die finanzielle Unterstützung in diesem Projekt ausdrücklich bei den Förderern. Zudem bedankt sich das IFW bei seinen Industriepartnern des projektbegleitenden Ausschusses, die wertvolle Unterstützungen im Forschungsvorhaben geleistet haben. Ohne diese Zusammenarbeit ist eine praxisorientierte Forschung nicht möglich.

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Leiter IFW; Dr.-Ing. Benjamin Bergmann, Leiter Bereich Maschinen und Steuerungen, IFW; M.Sc. Henning Buhl, wiss. Mitarbeiter; M.Sc. Markus Claßen, wiss. Mitarbeiter; M.Sc. Christian Teige, wiss. Mitarbeiter, alle im Bereich Maschinen und Steuerung, IFW 

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