Experimentelle und simulative Analyse der spanenden Bearbeitung funktional gradierter Werkstücke (SFB/TR 30 – TP A3)

Für die Herstellung hochwertiger Massenprodukte sind oftmals viele aufeinander folgende Bearbeitungsschritte notwendig. Die Produktion mit solchen langen Prozessketten ist zeitaufwändig und kostspielig. Die wissenschaftlichen Untersuchungen des Sonderforschungsbereiches Transregio 30 mit dem Titel „Prozessintegrierte Herstellung funktional gradierter Strukturen auf der Grundlage thermo-mechanisch gekoppelter Phänomene“ sind auf eine Verkürzung der Prozesskette ausgerichtet, indem Fertigungsverfahren entwickelt und untersucht werden, die es erlauben, Produkten eine auf den Anwendungsfall zugeschnittene funktionale Gradierung zu verleihen, bei gleichzeitig gesteigerter Flexibilität in der Produktgestalt. Dabei werden gekoppelte thermomechanische Effekte ausgenutzt, um in Halbzeugen aus Stahl, Aluminium und Kunststoffen verschiedene, an die Belastung angepasste, Materialeigenschaften zu erzeugen.

Das untersuchte, mittels thermomechanisch gekoppeltem Umformprozess hergestellte, Werkstück aus dem Vergütungsstahl 51CrV4 verfügt über Zonen verschiedener Zugfestigkeit bzw. Härte (Abbildung 1). Daher muss für dieses inhomogene Werkstück eine Strategie für die kombinierte Hart-Weich-Bearbeitung entwickelt werden. Da ein Werkzeugwechsel während der Bearbeitung von Bereichen in denen ein Eigenschaftsgradient vorliegt vermieden werden soll, müssen solche Bereiche mit einem Werkzeug bearbeitet werden. Jedoch existiert kein Schneidstoff, der sowohl für die Hartbearbeitung als auch für die Bearbeitung von ungehärteten Stählen ideal geeignet ist. Für ungehärteten Stahl wird das preiswerte und zähe Hartmetall empfohlen. Für die Hartbearbeitung hingegen werden die teureren und hochharten Schneidstoffe Keramik und polykristallines Bornitrid (PCBN) verwendet. Neben der Wahl eines geeigneten Schneidstoffes stellt die Wahl von optimalen Bearbeitungsparameterwerten eine weitere Herausforderung dar, da die hohen Schnitttiefen, Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten, die in der Bearbeitung ungehärteter Stähle verwendet werden können, für die Hartbearbeitung ungeeignet sind, aufgrund der dadurch entstehenden hohen thermischen und mechanischen Belastung des Werkzeugs.

Abb. 1: Prozess zur die Herstellung der inhomogenen Stahlwerkstücke [1] und gemessene Vickershärteverteilung

Die Versuchsplanung, Modellierung und Optimierung der Prozesse wird in Kooperation mit dem Teilprojekt D5 des SFB/TR30 durchgeführt, das ebenfalls am ISF angesiedelt ist. Um den Einfluss der Prozessparameter auf die Bearbeitung zu analysieren und optimale Parameterwerte mit einer möglichst geringen Anzahl von Experimenten zu finden, wird das DACE-Modellierungsverfahren eingesetzt [2]. Es erlaubt die Einflussfaktoren, deren Interaktionen und ihren Einfluss auf die Zielgrößen, wie z. B. den Werkzeugverschleiß, zu bestimmen. Ein Vorteil der DACE-Methode ist, dass neben der Vorhersage von Werten der Zielgrößen auch die Unsicherheit dieser Vorhersage berechnet werden kann. Dies ermöglicht eine Verfeinerung des Modells durch Hinzufügen von Beobachtungen in Bereichen, die mit einer hohen Unsicherheit behaftet sind.

Für die Drehbearbeitung des inhomogenen Stahlwerkstückes wurde das Einsatzverhalten von verschiedenen Werkzeugen aus Hartmetall und Mischkeramik untersucht (Abbildung 2). Dabei hat sich gezeigt, dass die Werkzeuge aus Mischkeramik besser geeignet sind als die aus Hartmetall und höhere Bearbeitungsparameterwerte zulassen [3,4].

Abb. 2: Versuchsaufbau für die Drehversuche

Auf der Basis dieser Ergebnisse wurde das Einsatzverhalten sechs verschiedener Werkzeuge untersucht. Ein Hartmetall, zwei Keramiken und drei Sorten PCBN. Die PCBN-Werkzeuge haben sich aufgrund ihrer hohen Verschleißbeständigkeit als am besten geeignet erwiesen, verschiedene PCBN-Sorten zeigen zudem verschiedene Verschleißerscheinungen [5]. Eine PCBN-Sorte z. B. zeigt Ausbrüche in der Schneidkante durch adhäsiven Verschleiß, verursacht durch die Kaltverfestigung des ungehärteten Werkstoffes.

Die PCBN Sorte, die sich als am besten geeignet herausgestellt hat, wird zurzeit für weitere Untersuchungen eingesetzt mit dem Ziel, einen optimalen Parameterkombination für die Bearbeitung des ungehärteten Stahls und einen für die Hartbearbeitung zu bestimmen. Diese beiden Sätze werden dann zu einer angepassten Bearbeitungsstrategie kombiniert, die die lokalen Materialeigenschaften des Werkstückes berücksichtigt.

Darüber hinaus wird auf Basis der experimentellen Untersuchungen ein prognosefähiges Finite-Elemente-Modell für die spanende Bearbeitung des Technologieträgers entwickelt [6]. Ziel ist es, neben der simulativen Bestimmung der Prozessausgabegrößen, wie den Zerspankraftkomponenten, die Vorhersage der durch die Bearbeitung verursachten Materialbeeinflussungen (speziell Eigenspannungen) zu ermöglichen. Hierfür wird ein Materialmodell erstellt, das die funktionale Gradierung, d. h. die unterschiedlichen Härtezustände des Werkstückes abbildet. Des Weiteren werden die optimalen Simulationsparameter für die Abbildung des Dreh- und Bohrprozesses mithilfe des 3D-FEM-Softwarepaketes DEFORMTM bestimmt. Für 2D-FE-Simulationen kommt das Softwarepaket ANSYS zum Einsatz. Besondere Beachtung finden hierbei Reibgesetze und Verschleißmodelle. Durch die Anpassung der temperatur- und dehnratenabhängigen Materialparameter konnte die simulierte Schnittkraft für das gesamte experimentelle Parameterwertspektrum bereits auf 80 Prozent der gemessenen Schnittkraft angenähert werden. Die ersten Untersuchungen des Einflusses der Schneidkantenverrundung der verwendeten Wendeschneidplatten auf die Zerspankraft haben gezeigt, dass insbesondere die sonst zu gering (ca. fünf Prozent des realen Wertes) berechnete Passiv- und Vorschubkraft durch die Berücksichtigung der Schneidkantenverrundung stark ansteigen und eine Abweichung der Ergebnisse nach oben entsteht. Ebenfalls untersucht wird die simulative Abbildung der Spanbildung. Abbildung 3 zeigt den realen und den simulierten Span bei gleicher Parameterwertkombination unter Berücksichtigung der Schneidkantenverrundung.

Abb. 3: Vergleich eines realen Spans und eines simulierten Span für eine Wendeschneidplatte mit Schneidkantenradius. Parameterwertkombination: Schnittgeschwindigkeit vc = 150 m/min, Vorschub f = 0,15 mm, Schnitttiefe ap = 0,1 mm

Literatur

[1]
Weidig, U.; Bergmann, K.; Scholtes, B.; Steinhoff, K. “Functionally Graded Properties by Controlled Thermo-Mechanical Interaction in Metal Forming Processes”; In: Proceedings 8th International Conference on Technology of Plasticity ICTP 2005, S. 397-398; Verona 2005.
[2]
Sacks, J., Welch, W. J., Mitchell, T. J., Wynn, H. P., Design and Analysis of Computer Experiments, Statistical Science 4 (1989), S. 409-435
[3]
Biermann, D.; Zabel, A.; Grünert, S.: Drehen funktional gradierter Werkstücke mit Hartmetall. VDI-Z Integrierte Produktion, 149 (2007) I; S. 26-28
[4]
Biermann, D.; Zabel, A.; Grünert, S.: Machining of functional graded workpieces by turning. In: Proceedings of the 2nd Manufacturing Engineering Society International Conference, CISIF-MESIC 2007, 9.-11. Juli 2007, Madrid, Spanien, digital veröffentlicht auf CD (ISBN 978-84-611-8001-1), 8 Seiten
[5]
Biermann, D.; Zabel, A.; Grünert, S. Sieben, B. Wagner, T.: Machining of Inhomogeneous Metallic Workpieces, In: Proceedings of the 2nd International Conference “Innovative Cutting Processes and Smart Machining”, Intercut 2008, 22. – 23. Oktober 2008, Cluny, Frankreich, digital veröffentlicht auf CD, 10 Seiten
[6]
Biermann D., Zabel A., Höhne F., Sieben B.: Experimental and Simulative Investigation of the Machining of Functionally Graded Materials. In K. Steinhoff, editor, Functionally Graded Materials in Mass Production, pages 75–90. Verlag Wissenschaftliche Scripten, Auerbach, Germany, 2009

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