JETgroove - Einstechdrehen von Titanaluminiden mit dem Wasserabrasivstrahl
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des durchgeführten Forschungsvorhabens war es, Erkenntnisse über die Wirkmechanismen des WAIS-E zu erlangen, um damit eine effizienten Vorkonturierung schwer zerspanbarer Werkstoffe umzusetzen. Im ersten Schritt wurden hierfür Kerben entlang und senkrecht zur Rotationsachse untersucht, um rotationssymmetrische Bauteile durch Überlagerung der Kerben zu fertigen. Aus diesen Ergebnissen konnten Erkenntnisse und Parameterbereiche abgeleitet werden, die eine Vorkonturierung des untersuchten schwer zerspanbaren Werkstoffs Titanaluminid TNM B1 ermöglichen. Im zweiten Schritt des Vorhabens wurde das Unrunddrehen mittels überlagerter Werkstück- und Werkzeugbewegung untersucht, um die geometrische Beschränkung auf rotationssymmetrische Bauteile aufzuheben. Zudem wurde ein analytisches Simulationsmodell aufgebaut, in dem die entscheidenden Effekte und Erkenntnisse zur Werkstoffabtrennung durch den Wasserstrahl abgebildet wurden und das die Phänomene bei der Werkstoffabtrennung widerspiegelt. Das Ziel der effizienten Vorkonturierung bezieht sich darauf, möglichst viel Werkstoffvolumen mittels der verschleißarmen WAIS-Technologie abzutrennen und nur ein geringes konventionelles Zerspanungsvolumen, bei dessen Zerspanung ein hoher Verschleiß entsteht, zurückzulassen. Die Herausforderung des Vorhabens bestand zum einen darin, den Strahl so zu kontrollieren, dass eine präzise Kerbe mit definierter Abweichung erzeugt werden konnte. Zum anderen stellte die Ableitung allgemeingültiger Effekte aus den Ergebnissen eine Herausforderung dar. Der ersten Herausforderung konnte durch die Studie der Prozess- und Werkstückparameter Druck p, Vorschubgeschwindigkeit vf, Radius r und Werkstückwinkel αW auf die Kerbform mittels statistischer Versuchsplanung begegnet werden. Die Herausforderung, allgemeingültige Effekte und deren Auswirkungen zu beschreiben und vorherzusagen, wurde durch den Aufbau eines analytischen Simulationsmodells gelöst. Hierfür wurden die an Analogieuntersuchungen identifizierten Effekte des WAIS Schritt für Schritt in eine 3D-Simulationsumgebung überführt. Durch dieses Vorgehen konnte eine Abbildung des Strahls und der Werkstoffabtrennung abhängig von den Randbedingungen des Werkstoffs, der Bewegungsbahn des Strahls und der Oberfläche dargestellt werden. Das Modell nutzt dabei den beobachteten Effekt, das neben dem Erstkontakt des Strahls mit dem Werkstoff auch der Sekundär- und ggf. der Tertiärstrahl eine Werkstoffabtrennung hervorrufen. Durch die Allgemeingültigkeit des Modells lassen sich zahlreiche Fragestellungen, die im Rahmen einer Vorkonturierung auftreten können, beantworten. Dadurch wird der industrielle Einsatz der WAIS-Technologie erleichtert. Darüber hinaus besitzt das Modell prinzipiell die Fähigkeit, auch in anderen Bereichen der WAIS-Verfahrensvarianten Vorhersagen zu treffen. Insgesamt wurde durch die gesammelten und aufbereiteten Erkenntnisse die WAIS-Technologie um ein effizientes Vorbearbeitungsverfahren zur Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen erweitert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Abrasive waterjet turning of titanium alluminides. In: Tagungsberichtsband zur „The 23th International Conference on Water Jetting” der BHR Group. Seattle, USA, 16.11 - 18.11.2016, S. 71 - 81
Uhlmann, E.; Faltin, F.; Flögel, K.
- Case Study on Possible Productivity Improvements of Waterjet Turning Operations. In: Tagungsberichtsband zur „The 2017 WJTA-IMCA Conference and Expo” der WJTA Assoc., New Orleans, USA, 25.10 - 27.10.2017
Uhlmann, E.; Männel, C.; Flögel, K.; Faltin, F.
- Effects of Abrasive Waterjet Trepanning on the Kerf Formation. In: Tagungsberichtsband zur „The 24th International Conference on Water Jetting” der BHR Group. Manchester, UK, 05.09 - 06.09.2018
Uhlmann, E.; Männel, C.
- Einstechdrehen mit dem Wasserstrahl – Von der Grundlage bis zur Anwendung. 54 Sitzung des Arbeitskreises Wasserstrahltechnologie, 5.03.2018, Chemnitz
Männel, C.
- Radial Abrasive Waterjet Kerf Cutting of Titanium Alloys. Metal Finishing News Vol. 19, November Issue, 2018, S. 54 - 57. Übersetzung in Metal Finishing News China Vol. 7, März Issue, 2019, S. 6 - 8
Uhlmann, E.; Männel, C.
- Modelling of the Kerf Formation through Primary and Secondary Jet Energy for the Abrasive Waterjet. 2019 WJTA-IMCA Conference and Expo, New Orleans, USA, 25.10 - 27.10.2019
Uhlmann, E.; Männel, C.
- 3-D Einstechbearbeitung zur Erzeugung von Wellen mit kraftübertragenden Wellenabsätzen mittels Wasserabrasivstrahl. In: AWTmagazin. Hrsg.: Maier, H.J. Garbsen: TEWISS, 2021, S. 14 - 19
Männel, C.; Uhlmann, E.
- Advances in Modeling of the Kerf Formation considering the Primary and Deflection Jets for the Abrasive Water Jet Technology. In: Procedia CIRP 102. Proceedings of the 18th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations. Hrsg.: Govekar, E.; Pušavec, F.; Vrabič, R. Elsevier B.V. 2021, S. 156 - 161
Uhlmann, E.; Männel, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2021.09.027)
