Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des Forschungsprojekts konnte durch die Beaufschlagung des Zerspanungsprozesses mit einer Ultraschallschwingung in Schnittrichtung ein grundlegender Erkenntnisgewinn für das ultraschallunterstützte Fräsen und Schleifen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit erarbeitet werden. Zunächst wurde eine Aktoreinheit entwickelt, welche eine longitudinal-torsionale Schwingung erzeugt. Dafür wurde eine analytisch berechnete Ausgangsgeometrie anhand einer FEM-Modalanalyse und einer harmonischen Analyse optimiert und schließlich konstruiert. Durch den modularen Aufbau der Aktoreinheit konnte mit dem Austausch der Sonotrode und des Werkzeugs zwischen einer longitudinalen und einer longitudinal-torsionalen Schwingungsform gewechselt werden. Darüber hinaus wurde ein Schleifwerkzeug zur Erzeugung von longitudinal-torsionalen Schwingungen entwickelt. Durch Nuten im Werkzeug wird eine longitudinal-torsionale Schwingung erzeugt. Mithilfe der longitudinal-torsionalen Schwingungsform konnten die prozesstechnologischen Grundlagen beim Fräsen und Schleifen mit Schwingungsüberlagerung in Schnittrichtung erarbeitet werden. Das Zerspanen mit Ultraschallunterstützung lieferte durchwegs geringere Zerspankräfte und beim Umfangsfräsen und -schleifen auch verbesserte Werkzeugstandzeiten und Werkstückqualitäten. Beim Stirnfräsen und -schleifen führte die Ultraschallschwingung zu einem höheren Werkzeugverschleiß und einer höheren Oberflächenrauheit. Die zusätzliche Überlagerung der longitudinalen Schwingung mit einer torsionalen Schwingung zeigte durchwegs eine zusätzliche Reduzierung der Zerspankräfte und eine Verbesserung der Oberflächenqualitäten und des Werkzeugverschleißes. Auf Basis statistisch geplanter Versuche wurde abschließend mittels einer Regressionsanalyse ein Regressionsmodell erstellt. In Abhängigkeit der Prozessparameter und der Ultraschallunterstützung kann mit dem Modell eine Vorhersage der resultierenden Zerspankraft getroffen werden. Die Forschungsergebnisse zeigen das Potential der zusätzlichen Schwingungsüberlagerung in Schnittrichtung auf und ermöglichen weitere Einsatzfelder der ultraschallunterstützten Zerspanung. Ausschlaggebend dafür sind die zusätzliche Reduzierung der Zerspankräfte sowie die Verbesserung der Oberflächenqualitäten und die Reduzierung des Werkzeugverschleißes.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Schwingungsunterstützte Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen. ULTRASONIC Seminar 2019, Stipshausen, 06. – 07.11.2019
Rinck, P.
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Cutting high-performance materials with ultrasonically modulated cutting speed. Seventh European Seminar on Precision Optics Manufacturing 1147802 (2020)
Reif, A.; Rinck, P.; Sitzberger, S.; Rascher, R.
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Experimental Investigations on Longitudinal-Torsional Vibration-Assisted Milling of Ti-6Al-4V. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 108 (2020) 11, S. 3607 – 3618
Rinck, P. M.; Gueray, A.; Kleinwort, R.; Zaeh, M. F.
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Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit. ZWF Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 115 (2020) 3, S. 162 – 165
Reif, A.; Rinck, P.; Sitzberger, S.; Rascher, R.; Zaeh, M. F.
