Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit

• Antragsteller: Professor Dr. Gerald Fütterer, seit 3/2021; Professor Dr.-Ing. Michael Friedrich Zäh
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406283248

Um die stetig steigenden Anforderungen bezüglich Leichtbau und Energieeffizienz zu erfüllen, werden vermehrt schwer zerspanbare Werkstoffe wie beispielsweise Hartmetalle, Keramiken und faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Diese Werkstoffe können mit konventionellen spanenden Fertigungsverfahren aufgrund des hohen Werkzeugverschleißes nur mit großem Aufwand bearbeitet werden. Die ultraschallunterstützte Zerspanung hat sich als geeignetes Mittel erwiesen, um diesem Nachteil entgegen zu wirken.Bei der ultraschallunterstützten Zerspanung wird der Kinematik des konventionellen Bearbeitungsprozesses eine zusätzliche hochfrequente Schwingung überlagert. Diese erzeugt an der Werkzeugschneide Schwingungsamplituden im Beriech von wenigen Mikrometern und bewirkt hierdurch eine hochfrequente Änderung der Schnittgeschwindigkeit bzw. des Vorschubs. Zu den resultierenden Effekten zählen unter anderem eine Verringerung der Zerspankräfte, eine Erhöhung der Werkzeugstandzeiten sowie eine Verbesserung der Werkstückqualität. Beim Fräsen und Schleifen wurde bereits gezeigt, dass sich diese positiven Effekte teilweise bereits bei einer Schwingungsanregung axial zum Werkstück, d.h. senkrecht zur Schnittrichtung, einstellen. Eine weitere Verbesserung der Prozessergebnisse kann dem gegenüber erreicht werden, indem den Prozessen eine Schwingung in Schnittrichtung überlagert wird und somit die Schnittgeschwindigkeit hochfrequent moduliert wird.Das Ziel des Forschungsvorhabens besteht deshalb darin, Grundlagen für das schwingungsunterstützte Fräsen und Schleifen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit zu schaffen. Dazu wird zunächst eine Ultraschallaktorik konstruiert, mit welcher sowohl dem Fräs- als auch dem Schleifwerkzeug eine Longitudinal-torsional-Ultraschallschwingung überlagert werden kann. Anschließend werden grundlegende Untersuchungen zum schwingungsunterstützten Fräsen und Schleifen durchgeführt. Beim Fräsen werden eine schwer zerspanbare die Titanlegierung Ti-6Al-4V bearbeitet. Hierbei werden der Einfluss der konventionellen Prozessparameter (Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit, Schnitttiefe sowie Werkzeuggeometrie) und der Schwingungsparameter (Frequenz und Amplitude) untersucht. Die auftretenden Effekte und Wechselwirkungen werden dabei mit dem Ziel analysiert, den Werkzeugverschleiß zu minimieren und die Werkstückqualität zu erhöhen. Parallel dazu werden Grundlagenuntersuchungen zum Schleifen von hartspröden Werkstoffen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit durchgeführt, bei denen ebenfalls die Wechselwirkungen zwischen den konventionellen Prozessparametern und Schwingungsparametern untersucht werden.Die Durchführung der experimentellen Untersuchungen erfolgt auf einem Bearbeitungszentrum des Typs Ultrasonic linear 40, das speziell für Grundlagenuntersuchungen zur schwingungsunterstützten Zerspanung von der DFG gestellt wurde.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemaliger Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Rolf Rascher, bis 3/2021