Drehbearbeitung schwer zerspanbarer Hochleistungswerkstoffe mittels Wasserabrasivstrahlen

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Subject Area: Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
• Term: from 2010 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 163565229

Zur Gewichtsersparnis und der damit verbundenen Senkung des Energieverbrauchs herrscht in vielen Industriezweigen ein starkes Interesse an titanbasierten Hochleistungswerkstoffen, wie Titanaluminiden. Insbesondere die Forderung nach hoher spezifischer Festigkeit, auch bei hohen Temperaturen, sowie gute Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit prädestinieren diese Werkstoffe für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrttechnik sowie dem Automobil- und Anlagenbau. Die Anwendungspotenziale erstrecken sich hier von strukturbildenden über dynamisch bewegte Bauteile im Verbrennungsmotor bis hin zu Turbinenkomponenten. Durch das besondere Eigenschaftsprofil dieser Werkstoffe eignen sie sich darüber hinaus zur Substitution von Stahllegierungen, Aluminiumwerkstoffen und Nickelbasis-Superlegierungen. Jedoch stehen dem industriellen Einsatz neben den in erster Linie hohen Materialkosten die Schwierigkeiten bei der konventionellen Bearbeitung gegenüber. So stoßen herkömmliche spanende Fertigungsverfahren, wie z. B. Drehen, Fräsen oder Schleifen, bei der Bearbeitung dieser Werkstoffe schnell an ihre technologischen und wirtschaftlichen Grenzen. Defektbehaftete Bauteilrandzonen und geringe Werkzeugstandzeiten erschweren dabei die industrielle Akzeptanz. Hier ist die Entwicklung neuer innovativer Bearbeitungsverfahren und -strategien gefordert. Die Einsatzmöglichkeit des Wasserabrasivstrahlverfahrens hinsichtlich der Bearbeitung sowohl sensibler Materialien als auch schwer zerspanbarer Hochleistungswerkstoffe ist hinlänglich bekannt. Aufgrund der hohen Flexibilität und der verfahrensspezifischen Vorteile gewinnt das Verfahren in der industriellen Produktion immer mehr an Bedeutung. Dabei beschränkt sich bisher der Einsatz vorwiegend auf die 2- und 21/2-D Bearbeitung von Plattenwerkstoffen. Zur effizienten Bearbeitung rotationssymmetrischer Bauteile bietet die Übertragung der “Dreh-Kinematik“ auf dieses Verfahren einen innovativen Ansatz. Der Einsatz moderner Anlagentechnik ermöglicht dabei eine deutliche Steigerung der Zeitspanvolumina im Vergleich zu konventionellen Verfahren. Ziel des hier beantragten Forschungsvorhabens ist es daher, die bisher fehlenden Kenntnisse über die technologischen Grundlagen des Wasserabrasivstrahl-Drehens, insbesondere bei der Bearbeitung von titanbasierten Hochleistungswerkstoffen, zu erarbeiten. In technologischen Untersuchungen werden an einfachen und komplexen rotationssymmetrischen Profilkonturen die produktivitäts- und qualitätsrelevanten Haupteinflussparameter bezüglich des Arbeitsergebnisses systematisch identifiziert und Bearbeitungsstrategien entwickelt. Darauf aufbauend wird ein Prozessmodell zum Wasserabrasivstrahl-Drehen beliebig komplexer Profilkonturen erarbeitet. Durch die Anpassung numerischer Simulationsmethoden soll darüber hinaus das Prozessverständnis vervollständigt werden. Zur Wirtschaftlichkeitsabschätzung wird das untersuchte Verfahren mit konventionellen Verfahren verglichen, wobei ökonomische sowie technische Aspekte berücksichtigt werden. Die Ergebnisse des beantragten Vorhabens werden in einer Gestaltungsrichtlinie zur ganzheitlichen Auslegung des Bearbeitungsprozesses zusammengefasst.

• DFG Programme: Research Grants