Einflüsse kryogener Kühlstrategien auf Eigenspannungen und den daraus resultierenden Bauteilverzug und die Maßhaltigkeit beim Fräsen dünnwandiger Aluminiumbauteile

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jan C. Aurich
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 538491745

Durch die kryogene Zerspanung von Aluminiumregierungen wurde eine Zunahme der Festigkeit, eine Verringerung der Gratbildung, sowie eine Verbesserung des Ermüdungsverhaltens und der Oberfläche erreicht. Diese vorteilhaften Eigenschaften sind auf höhere prozessinduzierte Druckeigenspannungen in der Randzone der Werkstücke zurückzuführen. Jedoch zeigten eigene Vorarbeiten, dass die erhöhten Eigenspannungen auch zu einem größeren Bauteilverzug dünnwandiger Aluminiumkomponenten führen, wie sie vorzugsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt werden. Somit besteht Forschungsbedarf bezüglich der Auswirkungen unterschiedlichster kryogener Kühlstrategien auf die prozessinduzierten Eigenspannungen und den damit einhergehenden Bauteilverzug dünnwandiger Aluminiumkomponenten. Zudem muss die Maßhaltigkeit der Bauteile berücksichtigt werden, da extrem niedrige Temperaturen auftreten, welche während der Bearbeitung eine Kontraktion des Werkstücks zur Folge haben. Nach der Bearbeitung entsteht so aufgrund der Erwärmung eine bleibende geometrische Abweichung des Werkstücks im Vergleich zur Sollkontur. Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist es, den Bauteilverzug und die Maßhaltigkeit dünnwandiger Aluminiumbauteile bei der kryogenen Zerspanung vorherzusagen und im Prozess zu kompensieren. Hierbei liegt der Fokus auf den Eigenspannungen, da diese die Ursache für den Verzug bilden. Im Projekt werden geeignete modellbasierte Kompensationstechniken entwickelt, um den Bauteilverzug zu minimieren und eine hinreichende Maßhaltigkeit zu gewährleisten. Hierbei müssen neben den prozessinduzierten Eigenspannungen, welche durch die gewählte Kühlstrategie beeinflusst werden, ebenso die initialen Eigenspannungen berücksichtigt werden. Dabei gilt es sowohl deren differenzierten Einfluss als auch ihre Superposition auf den Bauteilverzug zu untersuchen. Bei der Entwicklung der Kompensationstechniken soll insbesondere der Ausgleich des Verzugs hoher initialer Eigenspannungen durch die gestiegenen prozessinduzierten Eigenspannungen der kryogenen Zerspanung (im Vergleich zur Trockenbearbeitung) untersucht werden. Bei erfolgreichem Abschluss des Forschungsvorhabens ermöglicht die kryogene Zerspanung dünnwandiger Aluminiumbauteile gewichtseinsparende und energieeffiziente Bauteile, mit Vorteilen gegenüber trocken zerspanten wie die Zunahme der Festigkeit, die Verringerung der Gratbildung, die Verbesserung des Ermüdungsverhaltens und eine erhöhte Oberflächenqualität. Gleichzeitig werden die Nachteile Bauteilverzug und Verschlechterung der Maßhaltigkeit minimiert

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen