Verfahrensunabhängiges Kraft- und Oberflächenmodell für das Zerspanen von faserverstärkten Kunststoffen im schrägen Schnitt

• Antragsteller: Professor Dr. Wolfgang Hintze
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 457264004

Eine zentrale Rolle im Leichtbau nehmen faserverstärkte Kunststoffe ein. Aufgrund der Orthotropie dieser Werkstoffe unterscheiden sich die Trennmechanismen bei der Zerspanung maßgeblich von denen isotroper Werkstoffe. Bisher wurden die grundlegenden Mechanismen mit definierter Schneide fast ausschließlich im Orthogonalschnitt untersucht. In der industriellen Praxis liegen dagegen in der Regel schräge Schnittbedingungen vor, aus denen ein dreidimensionaler Trennvorgang unter den räumlichen Eingriffsbedingungen der Werkzeugschneiden resultiert. Die räumlichen Eingriffsbedingungen ergeben sich hierbei durch eine Kombination aus räumlicher Lage der Schneide und Schnittrichtung bzgl. der Faser. Eigene Vorarbeiten zeigen einen starken Einfluss der räumlichen Schneide-Faser-Lage auf die Zerspankräfte und die sich ausbildende Schnittoberfläche, welche das Funktionsverhalten hochbelasteter Leichtbaustrukturen beeinflussen kann. Als besonders kritisch erweist sich für die Qualität der gefertigten Oberfläche das sogenannte Einhaken der Schneide in das Material. Ziel des Projekts ist ein Zerspankraft- und Oberflächenmodell für die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen unter besonderer Berücksichtigung des schrägen Schnitts. Der Vorhersage der Zerspankraft liegt ein semi-empirisches Modell zu Grunde, welches verfahrensunabhängig gültig ist und auf das Fräsen übertragen wird. Im Rahmen einer Projektfortsetzung wird darüber hinaus eine Übertragung auf das Aufbohren und Senken angestrebt. Neuartige Versuchsaufbauten ermöglichen erstmalig die effiziente und damit umfassende Identifikation von Zerspankraftkoeffizienten auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten unter beliebiger Schneide-Faser-Lage und räumlicher Schnittrichtung, die auch außerhalb der Laminatebene liegen kann. Das Oberflächenmodell wird aus der Korrelation der räumlichen Belastungssituation und der gemessenen Oberflächenbeschaffenheit entwickelt und ermöglicht die Vorhersage von für die Oberflächenqualität kritischen Trennsituationen, speziell das Einhaken. Die drehwinkelaufgelöste Zerspankraft- und Oberflächensimulation erlaubt Rückschlüsse auf verfahrensspezifische Mechanismen bedingt durch die räumlichen Eingriffsbedingungen, die bisher durch die auf den Orthogonalschnitt beschränkte Betrachtung nicht möglich waren. Im Gegensatz zur rein mechanistischen Kraftmodellierung über die Kalibrierung durch Bohr- oder Fräsversuche ist durch das zu entwickelnde semi-empirische Modell die Lastverteilung entlang der Schneide bekannt. Dies ermöglicht die Analyse von Phänomenen die nur einen Teil der Schneide betreffen und zeigt Optimierungspotentiale insbesondere in Bezug auf die Qualität der Schnittoberfläche auf.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen