Strömungsschleifen keramischer Werkstoffe
Final Report Abstract
In der ersten Projektphase wurden Einflussgrößen auf den Abtrennmechanismus beim Strömungsschleifen keramischer Werkstoffe erarbeitet. Grundlagenuntersuchungen zur Oberflächenentstehung zeigten, dass durch Strömungsschleifen eine Verbesserung der Oberflächenqualität an einfachen sowie an trichterförmigen Werkstückgeometrien innerhalb weniger Minuten zu erzielen ist. Es konnten Oberflächen und geschädigte Randzonen definiert entfernt sowie Kanten gezielt verrundet werden. Im weiteren Verlauf der Untersuchungen wurde gezeigt, dass die Rheometrie dazu geeignet ist, Schleifmedien in ihrer Spezifikation und ihrem Verschleißzustand zu charakterisieren. Ebenso konnte mittels Rheometrie ein mathematisches Modell erstellt werden, mit dem die Berechnung der Korneingriffsgeschwindigkeit am kreisrunden Strömungsquerschnitt möglich ist. Weitere Fragestellungen im Zusammenhang mit dem lokalen Abtrennverhältnissen ergaben sich für den zweiten Projektzeitraum. Zwar kann die Korneingriffsgeschwindigkeit am kreisrunden Strömungsquerschnitt über das analytische Modell berechnet werden, jedoch versagt der Ansatz bereits bei der Anwendung am Rechteckquerschnitt. Um das Abtrennverhalten nicht nur für einfache, sondern auch für beliebige Bauteilgeometrien anwenden zu können, wurden die komplexen Strömungsverhältnisse auf numerischem Wege gelöst. Auf diese Weise ließen sich die umfangreichen Erkenntnisse und Versuchsergebnisse des ersten Projektzeitraums auf komplexe Strömungsverhältnisse übertragen. Die numerische Analyse der Strömungsverhältnisse an komplexen Geometrien wie Freiformflächen oder Kanalführungen konnte zu einer deutlichen Verbesserung des Prozessverständnisses beitragen. Im industriellen Einsatz ist es häufig erforderlich, eine Spezifikation an Schleifmedium durch vielfachen Wechsel zu bearbeitender Werkstücke verschiedensten Belastungen auszusetzen. Dadurch ist eine Vorhersage der Standzeit mit dem bisherigen Kenntnisstand nur schwer durchführbar. Auch hierbei konnte der Einsatz der numerischen Simulation als ein geeignetes Werkzeug identifiziert werden, das zur Klärung maßgeblicher Versagensmechanismen bei Strömungsschleifen keramischer Werkstoffe beiträgt. Über eine Schadensakkumulation verschiedener Belastungszustände ließen sich verlässliche Aussagen zum Verschleißzustand und zu der noch verbleibenden Standzeit des Schleifmediums machen. Das so genannte numerische Verschleißmodell konnte im Laufe des zweiten Projektzeitraums durch experimentelle Untersuchungen validiert werden. Das Einsatzpotenzial des Strömungsschleifens liegt in der Bearbeitung komplexer, schwererreichbarer Innengeometrien, wie sie z. B. bei Fadenführern, aber auch Ziehdüsen vorkommen. Bei den industriellen Anwendern besteht ein großer Bedarf, manuelle Polierarbeiten weitestgehend zu ersetzen. Auch die Bearbeitung medizinischer Keramik ist im Hinblick auf die erreichbare Oberflächengüte ein vielversprechendes Feld. Ein Einsatzgebiet von zunehmender Marktrelevanz ist die Vorbehandlung von Innenkonturen zum anschließenden Beschichten. Umfangreiche Verfahrensvergleiche sind in jüngster Vergangenheit durchgeführt worden. Dabei konnte dargestellt werden, dass durch Strömungsschleifen von Hartmetallwerkzeugen eine Verbesserung der Oberflächengüte, im Sinne einer Homogenisierung des Rauprofils, eine Reduktion der Kobalt-Binderphase sowie eine Erhöhung der Druckeigenspannungen erzielt werden konnte. Weiteres Anwendungspotenzial zeigt das Strömungsschleifen beim definierten Kantenverrunden mittels Diamantschleifmedien. Impulsgeber waren hierbei Standzeituntersuchungen an Zerspanwerkzeugen, bei denen eine definierte Schneidkantenbehandlung, zur Erhöhung der Standzeit um eine Größenordnungen beitragen konnte. Aktuell laufen am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der TU Berlin Grundlagenuntersuchungen mit dem Ziel, die Potenziale des Strömungsschleifens zum Kantenverrunden mittels Diamantschleifmedien auszuschöpfen. Themenübergreifend richtet sich der inhaltliche Fokus dabei auf das synergetische Zusammenwirken von Feinbearbeitung und Zerspanung. Sicherheitsrelevante Bauteile wie Rotorbauteile und Turbinenscheiben in Flugzeugtriebwerken müssen an Werkstückkanten definierte Kantenformen und Verrundungen aufweisen. Derzeit wird ein Großteil der Bauteile mit bis zu 20 Arbeitsstunden je Bauteil manuell nachbearbeitet. In der Luft- und Raumfahrttechnik besteht ein erhöhter Bedarf an automatisierten Prozessen, die eine hohe Prozesssicherheit und Reproduzierbarkeit aufweisen. Strömungsschleifen besitzt hierbei größtes Einsatzpotenzial. In Machbarkeitsstudien wird das Strömungsschleifen bezüglich der industriellen Anforderungen qualifiziert. Übergeordnetes Ziel ist es hierbei, Verfahrens- und Prozessketten neu auszulegen, um eine Umsetzung in automatisierte Fertigungslinien für Turbinen der Luft- und Raumfahrttechnik sowie des Energiesektors zu ermöglichen.
Publications
- Developing a Process Model for Abrasive Flow Machining. Proceedings of the CIRP International Conference on Burrs - Analysis, Control and Removal, Universität Kaiserslautern, 2.-3.04.2009
Uhlmann, E.; Mihotovic, V.; Szulczynski, H.; Kretzschmar, M.
- Modelling the Abrasive Flow Machining Process on Advanced Ceramic Materials. Proceedings of the 1st International Conference of Abrasive Processes. Churchill College, Cambridge, UK, 21.-25.9.2008. Journal of Materials Processing Technology, Elsevier, 2009, S. 1-18
Uhlmann, E.; Mihotovic, V.; Coenen, A.
- Substrate Pre-treatment of Cemented Carbides using Abrasive Flow Machining and Laser Beam Ablation. In: Production Engineering Research and Development. WGP, Springer-Verlag 2009. Vol. 3, Number 1, S. 81-86
Uhlmann, E.; Richarz, S.; Mihotovic, V.
