Gezielte Begrenzung der Spandickenschwankungen zur Stabilisierung der Spanbildung bei höherfesten Metallen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421463266

In dem vorangegangenen DFG-Vorhaben mit dem Titel: „Gezielte Begrenzung der Spandickenschwankungen zur Stabilisierung der Spanbildung bei höherfesten Metallen“ stand die grundlegende Erforschung des Constraint-Prinzips zur Segmentierungsunterdrückung im Mittelpunkt der Arbeiten. Im Rahmen dessen konnte eine Begrenzung der Spandickenschwankungen zwar prinzipiell erreicht werden, jedoch führten die hohen mechanischen Belastungen sowie variierende Spansegmentgrößen dazu, dass eine vollständige Unterdrückung der Segmentierung nicht dauerhaft gewährleistet werden konnte. Um dieser Problematik zu begegnen und gleichzeitig den experimentellen Aufwand zu reduzieren, besteht ein Ziel der beantragten Arbeiten darin, die im Erstantrag erlangten, grundlegenden Erkenntnisse zur simulativen Auslegung und experimentellen Umsetzung zur Begrenzung der Spandickenschwankungen durch den Einsatz eines Constraints erheblich zu vertiefen und dann in Richtung einer praktischen Anwendbarkeit weiterzuentwickeln. Die Forschungsergebnisse des Erstantrags haben aufgezeigt, dass bei der simulativen Abbildung der freien Segmentspanbildung Forschungs- und Entwicklungsbedarf im Bereich der Schädigungsmodellierung der Titanlegierung Ti6Al4V besteht. Dies ist notwendig, um den filigranen Prozess der begrenzten Spanbildung durch Einsatz eines Constraints stets in Abhängigkeit des konkreten Anwendungsfalls simulativ auszulegen. Die im Rahmen dessen geplanten Analysen zur Materialschädigung tragen auch dazu bei, die Mechanismen der Segmentspanbildung weiter zu erforschen. Durch die anschließende Parametrierung eines geeigneten Schädigungsmodells soll die Vorhersagegenauigkeit der Spanmorphologie sowie der mechanischen Werkzeugbelastung verbessert werden. Die durchgeführten 2D-FEM-Spanbidungssimulation werden anhand der experimentellen Ergebnisse des Erstantrags validiert. Eine Erkenntnis, die aus den Untersuchungen des Erstantrags resultierte, war, dass bei erfolgreicher Unterdrückung der Segmentierung ein Spanbruch beim entstehenden Fließspan ausblieb. Daher findet anschließend eine Analyse des Spanflusses bei der freien Spanbildung sowie eine gezielte Spanlenkung durch die Ausrichtung des Werkzeugs und den Einsatz eines Constraints anhand von 3D-FEM-Spanbildungssimulationen unter Verwendung des verbesserten Materialmodells statt. Durch die Beeinflussung der Spanflussrichtung ist es möglich, den Span gezielt gegen Störkonturen zu lenken, sodass sich die Biegebelastung im Span erhöht und der tertiäre Spanbruch beginnt. Validiert werden die Simulationsergebnisse im Rahmen des geplanten Transfers auf einen Drehprozess, bei dem die Werkzeugeingriffszeit erheblich länger ist. Abschließend wird eine Übertragbarkeit auf den Stahlwerkstoff 51CrV4 geprüft, da dieser ebenfalls zur Segmentspanbildung neigt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen