Entwicklung von Fräswerkzeugen durch geometrische Simulationen

Die Auslegung der Werkzeuggestalt ist ein entscheidender Schritt bei der Entwicklung von Fräswerkzeugen. Insbesondere Formfräser oder Kombinationswerkzeuge, die gezielt auf eine bestimmte Bearbeitungsaufgabe angepasst sind, weisen eine komplizierte Werkzeugmakrogeometrie auf, durch die eine parallele Bearbeitung mehrerer Funktionsflächen ermöglicht wird. Es resultiert jedoch ein hoher Entwicklungsaufwand mit einem iterativen Vorgehen bestehend aus der Konstruktion von Prototypen und anschließenden Einsatzuntersuchungen. Zur Reduktion der notwendigen Iterationsschleifen und zur Unterstützung des Konstruktionsprozesses wurde im Rahmen dieser Arbeit eine geometrische Materialabtragssimulation in den Entwicklungsprozess von Fräswerkzeugen integriert. Dazu wurde ein neues Kontaktzonenmodell entwickelt, das die Eingriffsberechnung der Span- und Freifläche einzelner Schneiden in Echtzeit ermöglicht. Weiterhin wurde ein Optimierungsalgorithmus qualifiziert, der auf Basis der Simulationsergebnisse und der Randbedingungen einer gültigen Werkzeuggeometrie die Werkzeuge gezielt optimiert. Das Potential der Simulation wurde in einem ersten Anwendungsfall anhand eines neuartigen Walzenstirnfräsers mit runden anstatt rechteckigen Wendeschneidplatten gezeigt, indem die Radialkraft als prozesslimitierende Größe gegenüber konventionellen Werkzeugen um 22% reduziert wurde. In einem zweiten Anwendungsfall wurde ein Formfräser zur Herstellung von Statoren hydraulischer Verdrängermotoren entwickelt, wobei das maximale Schnittmoment als wesentliche Prozessgrenze um 35% gesenkt wurde.