Verfahrensunabhängiges Kraft- und Oberflächenmodell für das Zerspanen von faserverstärkten Kunststoffen im schrägen Schnitt
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die hohe Bedeutung der Energie- und Ressourceneffizienz führt zu einer Zunahme von Leichtbaustrukturen aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK). Die hohe spezifische Festigkeit und Steifigkeit wird durch Kombination eines Matrixwerkstoffs mit hochfesten Fasern erreicht, deren gezielte Orientierung zu den gewünschten richtungsabhängigen Eigenschaften führt. Aufgrund der Ungenauigkeiten der urformenden Verfahren ist i.d.R. eine spanende Fertigbearbeitung notwendig. FVK sind anisotrope und orthotrope Werkstoffe, sodass gleiche Schnittparameter abhängig von der Faserorientierung zu unterschiedlichen Zerspankräften und Oberflächenschädigungen führen, was eine Simulation der Bauteilqualität und eine Steuerung der spanenden Bearbeitung erschwert. Entscheidenden Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis hat der Fasertrennwinkel θ. Aber auch andere Verfahrenswinkel wie der Voreilwinkel λ beim Fräsen haben einen Einfluss. Die bisherigen Ansätze der Zerspankraftmodellierung berücksichtigen diesen schiefen Schnitt nicht und haben Einschränkungen im Fasertrennwinkelbereich oder Ungenauigkeiten in der Modellierung. Ein Schwerpunkt des Vorhabens liegt in der prozessunabhängigen Modellierung der Zerspankräfte und der Oberflächentopographie bei der Zerspanung von FVK am Beispiel von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK). Hierfür wurde ein prozessunabhängiges Modell zur Beschreibung der räumlichen Eingriffsbedingungen im Zerspanprozess unter Beachtung der Orthotropie des FVK-Materials entwickelt. Über die Transformation des Werkstück-Koordinatensystems in das Werkzeug-Koordinatensystem konnten die prozessunabhängigen räumlichen Eingriffswinkel θ0 und φ0 definiert werden. Unabhängig vom Bearbeitungsverfahren werden anhand der räumlichen Eingriffswinkeln θ0 und φ0 die Zerspankraftkomponenten Fc, Fkt und Fkn identifiziert. Mittels Drehuntersuchungen wurden die wesentlichen Einflüsse auf die Zerspankräfte und auf die Oberflächentopologie ermittelt. Die Zerspankräfte werden am stärksten vom Fasertrennwinkel θ, dem Einstellwinkel kr , der Spanungsdicke ℎ, der Schnitttiefe ap und dem Neigungswinkel λs beeinflusst. Die Schnittgeschwindigkeit vc hatte im untersuchten Bereich keinen Einfluss auf die Zerspankräfte. Der Fasertrennwinkel θ, der Einstellwinkel kr und die Spanungsdicke ℎ beeinflussten hauptsächlich die Oberflächentopologie. Die Ergebnisse wurden für die Zerspankraftmodellierung verwendet. Validiert wurde das Modell anhand von Säge- und Umfangsfräsuntersuchungen. Für die Modellierung der Oberflächentopologie bei beliebigen Eingriffsbedingungen und Fertigungsverfahren wurde eine Wavelet-Transformation des Primärprofils bei unterschiedlichen Einstellwinkeln kr genutzt. Die Untersuchungsergebnisse ermöglichen eine Vorhersage der auftretenden Zerspankräfte und Oberflächenqualität bei der Bearbeitung von CFK , wodurch eine gezielte Anpassung des Zerspanprozesses zur Optimierung der Bauteilqualität möglich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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CFK-Zerspanen für alle – Verfahrensunabhängiges Kraft- und Oberflächenmodell beim Zerspanen von CFK mit definierter Schneide. CU-Reports #02-2023, Composite United e.V.
Brouschkin A.; Dege J. & Hintze W.
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Model Based Prediction of Force and Roughness Extrema Inherent in Machining of Fibre Reinforced Plastics Using Data Merging. Lecture Notes in Production Engineering, 42-51. Springer International Publishing.
Hintze, Wolfgang; Brouschkin, Alexander; Köttner, Lars & Blühm, Melchior
