Entwurf eines piezoelektrisch aktuierten Werkzeuges mit berührungsloser Energieübertragung zum schwingungsüberlagerten Fräsen

Silge, Martin GND

Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Entwurf eines Werkzeuges zur schwingungsüberlagerten Fräsbearbeitung. Der Bewegung des Fräsers beim klassischen Fräsen soll dabei eine axiale Schwingung überlagert werden. Mittels dieser zusätzlichen Bewegung kann die Oberfläche des Werkstücks während des Fräsens strukturiert werden. Um eine große Vielfalt an Oberflächenstrukturen zu ermöglichen, wird der Betrieb in einem Frequenzbereich angestrebt, der eine ganze Dekade umfasst. Die Bewegung wird von einem piezoelektrischen Aktor angeregt, welcher in das Werkzeug integriert ist. Die Energie, die zur Erzeugung der Schwingung benötigt wird, wird berührungslos über einen speziell entworfenen induktiven Übertrager auf das rotierende Werkzeug transferiert. Da auf der Empfängerseite kein Bauraum zur Integration leistungselektronischer Bauteile bzw. Schaltungen zur Verfügung steht, besteht auch bei der Energieübertragung die Notwendigkeit den Betrieb frequenzvariabel zu gestalten. Es wird ein Entwurfskonzept für den Energieübertrager vorgestellt und mit experimentellen Versuchen validiert. Weiterhin wird der Entwurf eines geeigneten mechanischen Aufbaus sowie der Ansteuerelektronik vorgestellt. Es wird außerdem ein mathematisches Modell hergeleitet, welches das Verhalten des gesamten elektro-magneto-mechanischen Systems beschreibt. Die Validierung dieses Modells erfolgt erneut experimentell, sowohl durch Messung von Frequenzgängen als auch durch Messung der Zeitverläufe verschiedener relevanter Größen. Daran anschließend werden die Ergebnisse erster schwingungsüberlagerter Fräsversuche vorgestellt. Als Ausblick wird schlussendlich noch ein Konzept vorgestellt, das die Erzeugung nahezu beliebiger Hubverläufe zulässt. Es wird der Ansatz der inversen Vorsteuerung gewählt. Auch dieses Konzept wird experimentell validiert, wobei hier keine Fräsversuche durchgeführt wurden. Der Vergleich zwischen Messung und Simulation erfolgt ausschließlich im mechanischen Leerlauffall.

This work presents the design of a tool for vibration assisted milling. The superimposed axial vibration enables the manufacturing structured surfaces during the milling process. In order to achieve a wide variety of possible surface structures the tool is supposed to operate at a wide frequency band spanning over one order of magnitude. The vibration is excited by a piezoelectric actuator which is integrated into the tool. The energy needed for the vibration excitation is transferred contactlessly by a specially designed transformer having an air gap that allows for relative motion between the stationary electronic drive and the rotating milling tool. Since no space is available inside the tool for the integration of additional electronic circuits the energy transfer must also be designed to work for a wide frequency range. A design concept for such a transformer is presented and validated experimentally. Furthermore, the design of the mechanical structure is described as well as the electronic drive circuit powering the transformer's primary part. Additionally, a mathematical model is derived which enables a simulation of the electro-magneto-mechanical behaviour of the overall system. The model is again validated using experimental data, both in frequency domain and time domain. In the final part results from the first milling experiments were shown. Some sample parts have been manufactured using superimposed vibrations with different frequencies. As an outlook, a control concept is proposed which allows for nearly arbitrary cutting profiles. The concept is based on the inverse feed forward technique. Again, experiments have been carried out to show the viability of this control concept. For this case only measurements without a mechanical load have been done.

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Silge, Martin: Entwurf eines piezoelektrisch aktuierten Werkzeuges mit berührungsloser Energieübertragung zum schwingungsüberlagerten Fräsen. Ilmenau 2019.

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