Experimentelle und modellhafte Analyse von zerspanungsbedingten Eigenspannungen und Bauteilverzug beim Drehen von Inconel 718

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Thomas Bergs; Professor Dr.-Ing. Christoph Broeckmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 494882739

Funktionalität, Einsatzverhalten und Lebensdauer von hoch belasteten, sicherheitsrelevanten Flugzeugtriebwerkskomponenten, wie z. B. Turbinenscheiben, -ringe und -schaufeln aus der Nickelbasislegierung NiCr19Fe19Nb5Mo3 (Inconel 718), werden maßgeblich von der Fertigungsgenauigkeit und den Randzoneneigenschaften bestimmt. Deshalb werden an fertig bearbeitete Turbinenteile hohe Anforderungen bezüglich Form- und Lageabweichungen sowie Eigenspannungen und Veränderungen des Werkstoffgefüges in der Randzone gestellt. Die Einstellung dieser Bauteileigenschaften wird in der Regel durch die spanende Endbearbeitung an geschmiedeten und anschließend wärmebehandelten Halbzeugen festgelegt. Während der Zerspanung werden, bedingt durch das vorliegende thermo-mechanische Belastungskollektiv, randzonennahe Eigenspannungen eingebracht, die gemäß dem Superpositionsprinzip die inhärenten Eigenspannungen überlagern. Insbesondere bei der Drehbearbeitung, wobei große Materialvolumina zerspant werden, führt diese Eigenspannungsüberlagerung zu einem schwer zu kontrollierenden Bauteilverzug. Als Folge kommt es zu zeitaufwendiger und kostenintensiver Nachbearbeitung oder - im schlechtesten Fall - zu Bauteilausschuss. Die Vermeidung des zerspanungsbedingten Bauteilverzugs a priori ist bis heute noch nicht gelungen und seine Kompensation erfordert in der Regel sehr aufwendige heuristische Auslegungszyklen. Das Hauptziel dieses Forschungsvorhabens ist die grundlegende Erforschung der Einflussfaktoren und Wirkmechanismen bei der Entstehung von zerspanungsbedingten Eigenspannungen und dem daraus resultierenden Bauteilverzug bei der Drehbearbeitung von Inconel 718. Darauf aufbauend soll ein skalenübergreifender numerischer Modellierungsansatz entwickelt werden, der eine treffsichere Prognose und Einstellung von eigenspannungsbedingtem Bauteilverzug ermöglicht. Das mögliche Potential des Modellierungsansatzes zur Beschreibung des thermo-mechanischen Belastungskollektivs und zur Einstellung von zerspanungsbedingten Eigenspannungen sowie Verzug soll zunächst durch Analogiezerspanungsversuche an rechteckigen Platten aus Inconel 718 im orthogonalen Schnitt analysiert werden. Auf der Grundlage der modellhaften Beschreibung der spezifischen Zerspankraft und des Wärmestroms im orthogonalen Schnitt in Abhängigkeit von Prozesseinstellgrößen soll der Modellierungsansatz im weiteren Projektverlauf auf das Außenlängsdrehen eines Demonstrator-Rings aus Inconel 718 übertragen werden. Die im Bauteil vorliegenden initialen Eigenspannungen werden anhand der numerischen Simulation der Wärmebehandlung berechnet und als initialer Spannungsausgangszustand im diskretisierten Bauteilmodell für die virtuelle Drehbearbeitung berücksichtigt. Für eine erfolgreiche Bearbeitung dieses anspruchsvollen Forschungsvorhabens ist die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Forschern der Werkstofftechnik und der Zerspantechnologie erforderlich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen