Titan-Fräszentrum
Final Report Abstract
Auf dem Horizontalen 4-Achs-Bearbeitungszentrum wurde eine Methode zur Auslegung von energieeffizienten Fräsprozessen anhand des Werkzeugverschleißes, der Leistungsaufnahme der Maschine und den Prozesseinstellgrößen aufgestellt. Hierbei wurden beim Stirnumfangsfräsen die Prozesseinstellgrößen variiert und das Verschleißverhalten der Werkzeuge sowie die Leistungsaufnahme mittels der „Trace-Funktion“ der Maschinensteuerung untersucht. Für eine energieeffiziente Prozessauslegung konnte gezeigt werden, dass die Zerspanungsleistung mit dem Zahnvorschub geringer ansteigt als mit der Schnittgeschwindigkeit. Zudem wurde der bedarfsgerechte Einsatz von Kühlschmierstoff (KSS) beim Fräsen untersucht. Dazu wurde der KSS-Volumenstrom im Fräsprozess auf acht Stufen variiert. In Verschleißuntersuchungen wurde der bei gegebenen Prozesseinstellgrößen minimal benötigte KSS-Volumenstrom ermittelt und die Zerspanleistung aus Prozesskraftmessungen bestimmt. Die Auswertung des KSS-Bedarfs in Abhängigkeit von der Zerspanleistung zeigt einen monoton steigenden Zusammenhang. Somit können energieeffiziente Prozesse auch hinsichtlich des KSS-Einsatzes ausgelegt werden. Im BMWi geförderten Projekt „RETURN – Prozesskette Recycling von Titanspänen“ wurde im Sinne der Ressourceneffizienz der Einfluss des Zerspanprozesses auf die Verunreinigung der Titanspäne mit Fremdelementen betrachtet. Diese Verunreinigungen bestimmen die Möglichkeit diese Späne erneut zu Ti-6Al-4V einzuschmelzen. Dazu wurde der Einfluss verschiedener Schneidstoffe wie Hartmetall, CBN, PKD und Si3N4 auf die Verunreinigung der Späne untersucht. Die geringsten Verunreinigungen in Form von Spanoxidation wurden beim Einsatz von Hartmetallwerkzeugen festgestellt (185 ppm), bei Si3N4 trat die stärkste Oxidation auf (625 ppm). Bei Hartmetallwerkzeugen wurde darüber hinaus der Einfluss der Prozesskühlung betrachtet. Dabei zeigte sich, dass bei der Trockenbearbeitung Kohlenstoffverunreinigungen vermieden werden können, wobei jedoch gleichzeitig die Oxidation erhöht wird und dass die relative Sauerstoffzunahme bei der Trockenbearbeitung mit 23 % geringer ist als die relative Kohlenstoffzunahme bei KSS-Einsatz (142 %). Somit wird die Qualität der Späne bei Trockenbearbeitung gegenüber Kühlung mit KSS hinsichtlich der Eignung zum Einschmelzen als besser bewertet. Untersuchungen verschiedener Werkzeugbeschichtungen sowie Werkzeugmikrogeometrien zeigten geringen bis keinen Einfluss auf die Verunreinigung der Titanspäne. Ziel des BMBF geförderten Projekts „Nachweis des aerodynamischen Potentials von durch Schleifen und Laserabtrag hergestellten Riblets in einem hochbelasteten Axialverdichter“ ist die Validierung des Potentials von Riblet-Strukturen in einem drei-stufigen Verdichter. Hierzu wurde eine 5. Achse in das Bearbeitungszentrum integriert und ein simultaner 5-Achs-Fräsprozess für die Herstellung der Verdichterschaufeln aus Ti-6Al-4V entwickelt. Die wesentlichen wissenschaftlichen Ergebnisse stehen dabei noch aus. Im Rahmen des DFG-Projekts „Modellierung des Stirnplanfräsprozesses von parallel angeordneten Werkstoffverbunden“ werden Werkstoffverbunde, bestehend aus Gusseisen, Kunststoff und Aluminium, sequentiell zerspant sowie Einflüsse auf die Oberflächengestalt untersucht. Das 4-Achs-Bearbeitungszentrum eignet sich aufgrund ihrer sehr hohen Steifigkeit für die Untersuchungen, da der Einfluss der Maschinensteifigkeit auf die Oberflächengestaltabweichungen im Vergleich mit anderen Maschinen als sehr gering eingestuft werden kann. Anhand der Ergebnisse können die Ursachen für Oberflächengestaltabweichungen bei Multi-Material-Verbunden ermittelt sowie die Oberfläche durch Überlagerung empirischer und analytischer Modelle weitestgehend prognostiziert werden. Dies ermöglicht die Auslegung von Fertigungsprozessen bei Werkstoffverbunden mit hoher geforderter Oberflächenqualität.
Publications
- Workpiece Shape Deviations in Face Milling of Workpiece Compounds. 14th Materials Forum, Hannover Messe, 10.04.2014, Hannover
B. Denkena, T. Grove, E. Hasselberg
- Challenges in machining titanium and aluminium. Walter Aerospace Summit Conference, 30.-31.03.2015, Mönchengladbach, 32 Seiten
B. Denkena, P. Helmecke
(See online at https://doi.org/10.13140/RG.2.1.3439.6246) - Energy efficient machining of Ti-6Al-4V. 65th CIRP General Assembly, 23.-29.08.2016, Kapstadt, Südafrika, 15 Seiten
B. Denkena, P. Helmecke, L. Hülsemeyer
- Energy efficient machining of Ti-6Al-4V. CIRP Annals - Manufacturing Technology 64 (2015) 61-64
B. Denkena, P. Helmecke, L. Hülsemeyer
(See online at https://doi.org/10.1016/j.cirp.2015.04.056) - Influence of the cutting tool compliance on the workpiece surface shape in face milling of workpiece compounds 15th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP 31 (2015) 7-12
B. Denkena, E. Hasselberg
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.074) - Influence of the cutting tool compliance on the workpiece surface shape in face milling of workpiece compounds. 15th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, 11.06.2015, Karlsruhe, 20 Seiten
B. Denkena, E. Hasselberg
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.074) - Recycling of Ti-6Al-4V chips. The 13th World Conference on Titanium, 16.- 20.08.2015, San Diego, Kalifornien, 19 Seiten
P. Helmecke
- Workpiece Shape Deviations in Face Milling of Hybrid Structures Materials Science Forum, Vol. 825-826 (2015, 336-343
B. Denkena, T. Grove, E. Hasselberg
(See online at https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.825-826.336) - Workpiece Shape Deviations in Face Milling of Hybrid Structures. 20. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde, 01.-03.07.2015, Wien
B. Denkena, T. Grove, E. Hasselberg
- Energieeffiziente Titanzerspanung durch Spänerecycling. Productivity Management, Jahrgang 21 (2016), Heft 1, S. 25-28
B. Denkena, P. Helmecke, S. Jacob, J. Kiese
