Inelastische Modelle zur Beschreibung des Kontaktverhaltens von Werkstück-Spannsystemen

Abstract

Werkstück-Spannsysteme sind essentielle Bestandteile einer Werkzeugmaschine. Sie liegen im Kraftfluss der Maschine und beeinflussen daher Genauigkeit, Qualität und somit auch die Wirtschaftlichkeit der gefertigten Produkte. Trotz dieser immensen Bedeutung existieren immer noch Defizite bei deren Modellierung und Berechnung. In Systemen, die aus mehreren Bauteilen zusammengesetzten sind, bestimmt das nichtlineare Übertragungsverhalten der Kontakte maßgeblich die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften der Gesamtstruktur. Diese Arbeit stellt ein inelastisches, nichtlineares Modell in Form eines Differentialgleichungssystems zur Beschreibung des Normal- und Tangentialverhaltens der Kontaktstellen zwischen Werkstück und Spannsystem vor. Es wurde ein Vorgehen zur verlässlichen Identifikation der Modellparameter entwickelt. Das vorgestellte Modell und die entsprechenden Methoden wurden zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften eines Werkstück-Spannsystems, welches aus Aufsitzspannern besteht, eingesetzt. Zur Generierung des notwendigen experimentellen Datensatzes sind Experimente mit statischer und dynamischer Kraftbelastung durchgeführt worden. Die Identifikation der Parameter erfolgte durch ein selbst entwickeltes MATLAB-Programm, welches eine effiziente Bestimmung der Modellparameter mit Hilfe von nichtlinearen Optimierungsalgorithmen ermöglicht. Die Implementierung des Modells als sogenannte „zero-thickness contact elements“ in das Programm ANSYS ermöglichte eine Finite-Elemente-Simulation des Spannsystems mittels der Teilstrukturtechnik. Eine experimentell ermittelte Impulsanregung diente dabei der Validierung der Berechnungsergebnisse. Das entwickelte Modell sowie das vorgestellte Verfahren zur Parameteridentifikation ermöglichen eine realitätsnahe Abbildung des nichtlinearen und inelastischen Kontaktverhaltens von Werkstück-Spannsystemen. Eingebettet in eine ganzheitliche Finite-Elemente-Simulation kann somit der Einfluss des Spannsystems auf das dynamische Verhalten des Werkstücks und damit die Qualität des Bearbeitungsergebnisses untersucht werden.

Workpiece clamping systems are an essential part of a machine tool. They are elements inside the flux of force of the machining system and, thus, they have a great impact on the precision, quality und cost effectiveness of the machined part. Despite of this immense importance there are still shortcomings regarding modelling and computation of such systems. In assembled systems, the nonlinear transfer behaviour of contacts determines significantly the stiffness and damping properties of the complete structure. This thesis introduces an inelastic, nonlinear model for describing the normal and tangential behaviour of the contacts between workpiece and clamping system. Furthermore, an approach for reliable parameter extraction is provided. The proposed model and methods were used to identify the mechanical properties of a workpiece-fixture-system consisting of down-thrust-clamps. An experimental setup for assessing the necessary experimental database containing static and dynamic force excitation was established. A MATLAB toolbox was developed to estimate the model parameters efficiently with nonlinear optimization algorithms. The model was implemented in ANSYS as ‘zero-thickness contact elements’ allowing a finite element simulation of the clamping system using substructuring techniques. An experimental impulse excitation was used to validate the computation. The developed model and the procedure for parameter identification allow a realistic description of the nonlinear and inelastic contact behaviour of workpiece clamping systems. Embedded in a holistic finite element simulation the impact of the clamping system on the dynamics of a workpiece and hence the quality of the machined part can be investigated.