5-achs-Bearbeitungszentrum
Final Report Abstract
Das beschaffte 5-Achs-Bearbeitungszentrum ergänzt den Maschinenpark des ISF durch die Möglichkeit der HPC (High-Performance-Cutting) Bearbeitung sinnvoll. Mit ihrer hohen Leistung und der großen Steifigkeit eignet sie sich im Besonderen für die Hochleistungsbearbeitung schwer zerspanbarer Materialien. Außerdem führt die 5-Achs-Kinematik des Bearbeitungszentrums zu einer sehr flexiblen Einsatzmöglichkeit in unterschiedlichen Projekten und Anwendungsszenarien. Für den Aufbau der Maschine wurde eigens ein Fundament ausgelegt und angefertigt, um so sicherzustellen, schwingungsarme Bearbeitungen gerade bei hohen Belastungen zu garantieren. Zusätzlich wurde die Maschine über vier Bolzen mit dem Fundament verschraubt. Durch diese Eigenschaften eignet sich das 5-Achs-Bearbeitungszentrum hervorragend zur Bearbeitung der ISF-Forschungsthemen. Das Bearbeitungszentrum wurde bereits in mehreren Projekten zum Fräsen von Titan eingesetzt. Die werkstoffspezifischen Eigenschaften von Titan führen zu hohen mechanischen Belastungen für das Werkzeug und die Maschine. Das beschaffte 5-Achs-Bearbeitungszentrum eignet sich somit aufgrund der hohen Maschinensteifigkeit und -Dämpfung in besonderem Maße für derartige Untersuchungen. Dabei wurden in Kooperation mit dem Maschinen- sowie dem Steuerungshersteller Grenzen der Bearbeitung getestet und innovative Steuerungsoptionen analysiert. Das Ziel der Untersuchungen bestand darin, die sogenannte Grenzschnitttiefe zu steigern, die beim Fräsen den Übergang von einem stabilen zu einem instabilen Fräsbereich darstellt. Der instabile Fräsbereich ist gekennzeichnet durch starke Ratterschwingungen, die zu schlechten Oberflächen und zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß führen können. Durch innovative Steuerungsoptionen, die am ISF erstmalig wissenschaftlich untersucht und eingesetzt wurden, ließ sich das Zeitspanvolumen bei Zeilenfräsversuchen in TiAl6V4 um 50 % steigern. In einer weiteren Kooperation mit einem Unternehmen aus der Luftfahrtindustrie wurden unterschiedliche neue Fräswerkzeuge (Durchmesser D = 25 mm) mit verschiedenen Beschichtungen getestet und für den späteren Einsatz bezüglich erreichbarer Schnittwerte quantifiziert. Dabei fand neben einer Variation der Schnittwerte auch eine Untersuchung verschiedener Eingriffsbedingungen des Fräsers statt. Auch hier konnten neue Erkenntnisse aufgrund der hohen Leistung und geringen Schwingungsneigung des Bearbeitungszentrums gewonnen werden. Das Bearbeitungszentrum wurde außerdem genutzt, um im SFB 708 (3D-Surface Engineering für Werkzeugsysteme der Blechformteilefertigung) in Kooperation mit dem Institut für Umformtechnik und Leichtbau (IUL) der TU Dortmund verschleißfeste Tiefziehwerkzeuge auszulegen und auf dem 5-Achs- Bearbeitungszentrum zu fertigen. Aufgrund der Dimensionen der Tiefziehwerkzeuge war es nötig, möglichst flexibel und effizient bearbeiten zu können und zusätzlich eine ausreichende Leistung zur Verfügung zu stellen. Beides konnte durch die Nutzung des 5-Achs-Bearbeitungszentrums erreicht werden. Die Tiefbohrbearbeitung bainitischer Stähle stellt den Prozess und das Bearbeitungszentrum ebenfalls vor eine Vielzahl von Herausforderungen. Bainitische Stähle verfügen über eine hohe Zugfestigkeit bei gleichzeitig günstigen Zähigkeitswerten. Innerhalb eines von der AiF geförderten Projekts (Untersuchungen zur Zerspanung hochfester bainitischer Stähle, AiF IGF-16939 N) wurden auf dem Bearbeitungszentrum Untersuchungen zum Wendeltiefbohren von bainitischen Stählen durchgeführt und dabei Prozess- und Schnittwertvariationen durchgeführt, um deren Einfluss auf die Bearbeitungskräfte und auf die Spanbildung zu identifizieren. Ein entscheidendes Kriterium für die Durchführbarkeit der Untersuchungen bestand in einem relativ großen Arbeitsraumbedarf durch die lang auskragenden Werkzeuge sowie die langen Werkstücke. Außerdem musste zusätzlich die Möglichkeit bestehen, Messequipment zu applizieren, um Aussagen über die mechanischen Belastungen während des Bohrprozesses treffen zu können. Beides ließ sich durch den Einsatz des Bearbeitungszentrums erreichen. In einer Untersuchung in Kooperation mit einem Automobilhersteller wurden am 5-Achs-Bearbeitungszentrum Versuche zum Planfräsen von Flanschflächen an Turbinengehäusen bei Ottomotoren durchgeführt. Bei dem dabei bearbeiteten Werkstoff handelte es sich um einen hitzebeständigen Stahlguss. In den Untersuchungen zum Planfräsen kam ein Messerkopf mit einem Durchmesser von D = 80 mm und verschiedene Plattentypen sowie Beschichtungen zum Einsatz. Auch hier konnten durch die gute Zugänglichkeit der Maschine prozessbegleitend Zerspankräfte aufgenommen und somit günstige Bearbeitungsstrategien für die Flanschflächen ermittelt werden.
Publications
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Entwicklung stabiler Hochleistungsprozesse - Simulation und Steuerungssoftware bringen Leistungsschub. WB - Werkstatt und Betrieb, (2014) 7-8, S. 36-39
Freiburg, D.; Hayler, M.; Kersting, P.; Kirsten, W.
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Herausforderungen bei der mechanischen Bearbeitung von Turbinengehäuse in der Großserie. In: Tagungsband Schwer zerspanbare Werkstoffe in der industriellen Praxis, 25.-26.03.2014, Nürtingen
Habermeier, J., Zielasko, W.
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Untersuchungen zur Zerspanung hochfester bainitischer Stähle. Abschlussbericht, AiF-Forschungsvorhaben IGF 16939 N, Dortmund, 2014
Biermann, D.:
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Aktuelle Entwicklungen zur Bearbeitung von Vergütungsstahl und hochwarmfesten Stahlgusslegierungen. In: Stahl- und Gusszerspanung 2015 - Werkstoffe - Verfahren - Maschinen - Werkzeuge - Schlüssel zur wirtschaftlichen Produktion, 21.10.-22.10. 2015. Nürtingen, ISBN 978-3-942980-53-1, S. 129- 138
Biermann, D.; Hartmann, H.; Habermeier, J.
