Werkzeugverhalten unter thermomechanischer Wechselbelastung beim Fräsen von Verbunden
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei der Fräsbearbeitung von Werkstoffverbunden tritt eine gegenüber der Bearbeitung der einzelnen Werkstoffe veränderte Werkzeugbelastung auf. Die hierbei wirkenden mechanischen, thermischen und tribologischen Größen während des Schnitts durch einen Verbund sind das Resultat der Eigenschaften der Einzelwerkstoffe sowie des alternierenden Schnittvorgangs. Um Werkstoffverbunde wirtschaftlich und produktiv bearbeiten zu können, ist eine Auslegung des Werkzeugs und des Prozesses auf die Anforderungen bei der Verbundbearbeitung erforderlich. Eine Anforderung liegt darin, dass die Werkstoffe eines Verbunds oftmals stark unterschiedliche Eigenschaften besitzen. Daher stellen die Prozesseinstellgrößen für den Verbund immer einen Kompromiss zwischen den notwendigen Einstellparametern der Einzelwerkstoffe dar. Um für die Bearbeitung von Werkstoffverbunden optimale Einstellbedingungen zu erhalten, sind grundlegende Kenntnisse über das Belastungskollektiv an der Schneide und das Verschleißverhalten notwendig. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen gegenüber dem bisherigen Wissensstand neue Erkenntnisse über die Fräsbearbeitung von Verbunden aus den Werkstoffen Aluminium EN- AW 2030, Gusseisen GJS400 und GJS600 sowie weiteren Werkstoffen auf. Es wird dargestellt, wie die spezifischen Eigenschaften der Werkstoffe mechanische und thermische Belastungen in Form von Spannungen und Temperaturen an der Werkzeugschneide verursachen, die durch die Schnittlänge bzw. den Verbundanteil sowie die Schnittrichtung beeinflusst werden. Hierdurch wird die Verschleißentwicklung des Werkzeugs über der Einsatzzeit unterschiedlich beeinflusst. So führt der zunehmende Anteil einer Verbundkomponente mit höherer Festigkeit zu einer Verringerung der Werkzeugstandzeit. Die verbundspezifischen Überlagerungen der mechanischen Spannungen und der Prozesstemperaturen an der Schneide sowie deren Wirkdauer sind die maßgeblichen Einflussfaktoren auf das Verschleißverhalten. Dieses wird bspw. bei den Materialien Aluminium und GJS400 festgestellt, deren Zugfestigkeit annähern gleich ist, während die Wärmeleitfähigkeit sich voneinander unterscheidet. Die Ergebnisse zeigen auch, dass eine allgemeingültige Modellierung des Werkzeugverschleißes auf Basis einzelner mechanischer und thermischer Werkstoffkennwerte und ohne Berücksichtigung der Werkzeugeigenschaften nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Grund ist, dass das elastisch-plastische Werkstoffverhalten bei der Spanbildung und somit die Höhe und Verteilung der Belastungen an der Werkzeugschneide sowie daher die Verschleißmechanismen sehr verschieden sind. Hierfür ist es erforderlich, eine große Anzahl von Kennwerten verschiedener Werkstoffe einzubeziehen und die Spanbildung detailliert zu kennen. Für die technische Anwendung sind als Ergebnisse darüber hinaus experimentelle und numerische Werte für Spannungen und Temperaturen bei der Fräsbearbeitung von Verbunden der Werkstoffe Aluminium EN-AW 2030, GJS400 und GJS600 ermittelt worden. Zusätzlich wurden im Rahmen dieses Vorhabens experimentelle Daten über das dynamische Werkstoffverhalten der verwendeten Werkstoffe ermittelt. Eingangsgrößen hierbei sind die Belastungsgeschwindigkeit, der Umformgrad sowie die Werkstofftemperatur. Als Ergebnisgrößen liegen Fließkurven der drei Materialien vor, die in den FE-Simulationen zur Modellbildung implementiert werden. Hierdurch wird erstmals eine detaillierte FE-Analyse der Werkzeugbelastung bei der Bearbeitung von Werkstoffverbunden ermöglicht. Die Ergebnisse dieses Projekts zeigen, welche Verschleißentwicklung bei der Fräsbearbeitung von Verbunden auftritt und welche Belastungen während des Prozesses wirksam sind. In zukünftigen Arbeiten kann eine Modellierung der Verschleißeffekte erfolgen, indem weitere Werkstoffgrößen wie bspw. die Bruchdehnung, Druckfestigkeit oder E-Modul sowie Gefügebestandteile der Werkstoffe berücksichtigt werden. Zudem ist es notwendig, die Spanbildung bei der Analyse der spezifischen Belastungsverteilung des Werkzeugs und den Einfluss des Werkstoffs hierauf näher zu analysieren. Dieses ist zukünftige Voraussetzung für eine quantifizierbare Aussage hinsichtlich des Verschleißverhaltens für eine Vielzahl von Werkstoffverbunden
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Tool behavior at alternating thermo-mechanical loads during milling of compounds out of aluminum and spheroidal cast iron. Production Engineering Research and Development. 2 Nr. 4, S. 351-356, 2008
Denkena, B.; Boehnke, D.; Dziewiecki, P.
