JETmill - Pre-contouring of hard to machine materials using abrasive waterjets
Final Report Abstract
Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens war es, eine konturnahe Schruppvorbehandlung mittels Wasserabrasivstrahltechnologie (WAIS-Technologie) zu entwickeln. Hierdurch sollte das Zerspanungsvolumen und der damit einhergehende Werkzeugverschleiß durch nachfolgende konventionelle Fertigungsprozesse zur endformgebenden Bearbeitung verringert werden. Das Vorhaben wurde am Beispiel des schwer zerspanbaren Werkstoffs Titanaluminid TNM-B1 umgesetzt. Im ersten Forschungszeitraum wurden die grundlegenden Parameterbereiche der konturnahen Schruppvorbehandlung ermittelt und der Einsatz der Technologie als Vorbehandlungsverfahren zur Erzeugung von einfachen 3D-Fräsgeometrien qualifiziert. Im zweiten Forschungszeitraum konnte das Vorbehandlungsverfahren um weitreichenden geometrische Möglichkeiten erweitert werden. Dazu wurden umfangreiche experimentelle Untersuchungen durchgeführt und ausgewertet. Zudem wurde ein analytisches Anwendungsmodel entwickelt, um die entscheidenden Größen des Verfahrens einfach auslegen zu können. Die Herausforderung des Vorhabens lag von Anfang an auch in der Kontrolle und Beschreibbarkeit der Effekte des Sekundärstrahles. Beim klassischen Schneiden mittels WAIS können diese Effekte vernachlässigt werden, da die Energie des Sekundärstrahls durch den Catcher aufgenommen wird und somit nicht auf dem Werkstoff wirkt. Bei der untersuchten Schruppvorbehandlung wurden diese Effekte soweit reduziert und quantifiziert, dass eine reproduzierbare Kerbe mit definierter Kerbtiefe erzeugt werden kann. Neben dem Einsatz geeigneter Parameterbereiche für den Druck p, den Abrasivmittelmassenstrom ṁA und die Vorschubgeschwindigkeit vf trägt vor allem die Anzahl der Überfahrten z maßgeblich zur Erreichung qualitativ hochwertiger Ergebnisse bei. Die Bestimmung geeigneter Bereiche erfolgte mittels statistischer Versuchsplanung und der Auswertung der Zielgrößen zur Form sowie der Formabweichungen. Zudem wurde anwendungsbezogen Qualitätskenngrößen der Oberfläche und Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zur Erörterung des Strömungsverhaltens aufgenommen und ausgewertet. Die grundlegenden Ergebnisse wurden mittels Regressionsgleichungen beschrieben. Zudem wurde ein Anwendungsmodel zur einfachen Auslegung der Schruppvorbehandlung implementiert. Hierdurch können auch die verschiedenen Varianten zur Schruppvorbehandlung geometrisch freier Formen mitberücksichtigt werden, wodurch der industrielle Einsatz der Schruppvorbehandlung schnell erfolgen kann. Um den industriellen Einsatz der Technologie weiter zu erleichtern, wurden in einem Verfahrensvergleich die Anwendungsbereiche identifiziert, bei denen, durch die Schruppvorbehandlung mittels WAIS, Effizienzsteigerungen in Aussicht stehen. Durch das abgeschlossene Projekt konnten neue Erkenntnisse über das Schruppvorbehandeln von schwer zerspanbaren Werkstoffen und das Erzeugen von geometrischen freien Formen mittels WAIS erlangt werden. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben es, die WAIS Technologie als Vorbehandlungsverfahren im industriellen Umfeld anzuwenden. Damit kann den Fertigungstechnologien ein effizientes Vorbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen hinzugefügt werden.
Publications
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