Untersuchung der Zerspanungsmechanismen bei der ultraschallunterstützten Bearbeitung von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken mit geometrisch bestimmter Schneide (CMCs)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457160135

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Erarbeitung eines Erklärungsmo-dells für die vorherrschenden Zerspanmechanismen bei der ultraschallunterstützten Bearbeitung von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken. Bedingt durch immer stärkere Umweltauflagen und stark zunehmendem intra-industriellen Wettbewerb steht im aktuellen Entwicklungsprogramm der Triebwerkshersteller vor allem die Forderung einer Steigerung des Wirkungsgrades im Vordergrund. Eine Lösung sind hierbei keramische Verbundwerkstoffe, die die maximal zulässige Werkstofftemperatur erhöhen und somit die Triebwerkseffizienz steigern. Derzeit existiert kein grundlegendes Wissen über den Einfluss einer in Schnittrichtung orientierten Werkzeugschwingung auf die Fräsbearbeitung von keramischen Verbundwerkstoffen. Um unter Fräsbedingungen den Einfluss einer in Schnittrichtung orientierten Schwingung auf wichtige Prozesskenngrößen bestimmen zu können, bietet sich die Vereinfachung der realen Fräsbearbeitung auf einen Orthogonalschnitt. Aufgrund der guten Zugänglichkeit zur Zerspanzone kann der Einfluss der Schwingung auf den Bearbeitungsprozess einfach und grundlegend unter Variation von Schnitt-, Schwingungs- und Werkzeuggrößen untersucht werden. Die vereinfachten Gegebenheiten des Orthogonalschnitts in Kombination mit der guten Zugänglichkeit zur Zerspanzone ermöglichen grundlegende Untersuchungen hinsichtlich des Einflusses der Ultraschallschwingung. Durch unterschiedlicher Schnittbedingungen (Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Faserorientierungen) und den Einsatz verschiedener Werkzeuggeometrien wird der Einfluss der Werkzeugschwingung (Schwingungsamplitude und Schwingungsfrequenz) auf wichtige Prozesskenngrößen untersucht.Zu Beginn des Vorhabens findet die Charakterisierung des Ultraschallsystems sowie des verwendeten Werksstückwerkstoffs statt. Im weiteren Verlauf erfolgt eine analytische Modellierung der aus der Schwingungsüberlagerung resultierenden Werkzeugkinematik. Diese wird für den einfachen linearen Orthogonalschnitt umgesetzt, anschließend erfolgt die Ableitung von charakteristischen Prozesskenngrößen, welche im Rahmen der Modellbildung zur Erklärung der Spanbildung sowie der vorherrschenden Zerspanmechanismen und der resultierenden Oberflächenqualität herangezogen werden. Das drauffolgende Arbeitspaket befasst sich mit den eigentlichen Prozessuntersuchungen. Dabei werden die Werkzeuggeometrie sowie die Schnitt- und Schwingungsparameter auf das Zerspanverhalten und die resultierende Bauteilqualität untersucht. Aufbauend auf den vorangegangenen Arbeitspaketen erfolgt die Entwicklung eines qualitativen Beschreibungsmodells zur Spanbildung. Basierend auf allen erarbeiteten Erkenntnissen und den gegebenen Werkstoffeigenschaften wird abschließend ein heuristisches Modell aufgestellt, welches die vorliegenden Zerspanmechanismen grundlegend erklärt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen