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2024
Journal Article
Titel
Coupled fluid-structure-interaction simulation approach for correction of the thermal tool elongation to improve the milling precision
Alternative
Gekoppelte Simulation der Fluid-Struktur-Wechselwirkung für die Korrektur der thermischen Werkzeugdehnung zur Verbesserung der Präzision in der Fräsbearbeitung
Abstract
During milling operation, the position of the tool centre point (TCP) is affected by structural displacements, which are caused by force loads and heat input inside the machine as well as machining induced thermal loads. These thermal loads result in considerable thermal deformations of tool holder, tool, and accordingly the TCP position. They can be summed up to about tens of microns and compromise the dimensional accuracy. The objective was to develop an integrated, numerical simulation-based approach for future TCP correction for a milling process using characteristic diagrams. For this, a complex Fluid-Structure-Interaction (FSI) simulation model predicts the uni-axial displacement in the longitudinal direction of the TCP due to a specified process heat source at the tool tip. As a partial result, the simulation has reached its performance limits, under the restriction of a reasonable simulation time in order to produce characteristic diagrams for application on a milling machine. The calculated thermally induced displacement can be further processed with the aid of Design of Experiments (DoE) and response surface methodology (RSM), depending on the thermal process load and coolant volume flow rate. That results in characteristic diagrams for the displacement as a function of process parameters. In this study the calculated value for thermally induced TCP displacement covers a span from 10 μm to 80 μm, with a strongly nonlinear behaviour. Subsequently, this forms the basis for a future implementation of characteristic diagrams in the machine control system for online correction of thermal tool errors.
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Im Verlauf der spanenden Fräsbearbeitung wird die Position des Tool Centre Points (TCP) durch strukturelle Verformungen beeinflusst, welche zum einen durch die Prozesskräfte zum anderen aufgrund der prozessinduzierten Wärmelasten verursacht werden. Diese Verformungen können im Bereich von Zehntelmillimetern liegen und die Fertigungsgenauigkeit negativ beeinflussen. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer ganzheitlichen numerisch basierten Methode, die mittels charakteristischer Diagramme die prozessinduzierten TCP Verlagerungen korrigiert. Für diesen Zweck wurde ein komplexes Fluid-Structure-Interaction (FSI) Simulationsmodel konzipiert, das die einachsigen TCP Verschiebungen in Werkzeuglängsrichtung berechnet, welche aus einer spezifischen Prozesswärmequelle an der Werkzeugspitze resultieren. Hierbei reizte das Simulationsmodell die Leistungsgrenze aus, unter der Randbedingung einer vertretbaren Simulationsdauer, um die charakteristischen Diagramme für die betrachtete Fräsmaschine zu erzeugen. Die berechneten thermisch induzierten TCP Verschiebungen können mittels Einsatz der statistischen Versuchsplanung (DoE) und der Response Surface Methode (RSM) weiterverarbeitet werden, um die Abhängigkeit von der thermischen Prozesslast und dem Kühlmittelvolumenstrom darzustellen. Daraus resultieren charakteristische Diagramme für die Verschiebung als Funktion der Prozessparameter. In dieser Untersuchung reichte die Spanne der thermisch induzierten TCP Verschiebung von 10 μm bis 80 μm und wies dabei ein hochgradig nichtlineares Verhalten auf. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für eine zukünftige Einbindung der charakteristischen Diagramme in die Maschinensteuerung, für die online Korrektur des thermischen Fehlers.
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