Entwicklung eines Simulationsmodells zur Abschätzung der Bauteilqualität verursacht durchh Werkzeugverschleiß
Zusammenfassung der Projektergebnisse
An die Lebensdauer hochbelasteter Bauteile, wie Verdichterräder in Turboladern, werden aufgrund der steigenden Relevanz von Ressourcen- und Energieeffizienz wachsende Ansprüche gestellt. Diese Bauteile werden häufig aus Leichtbaumaterialien wie Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen oder Titanlegierungen hergestellt. Wegen ihrer guten mechanischen und thermischen Materialeigenschaften wird häufig die Titanlegierung Ti-6Al-4V eingesetzt. Bei der zerspanenden Bauteilherstellung von Komponenten aus Ti-6Al-4V führt deren hohe Zugfestigkeit in Kombination mit einem geringen E-Modul und einer geringen Wärmeleitfähigkeit zu großen Belastungen der verwendeten Werkzeuge, was zu einem besonders schnellen Verschleißwachstum führt. Der Verschleiß am Werkzeug ist gekennzeichnet durch eine Änderung der idealen Werkzeuggeometrie, wodurch die Prozessbedingungen beeinflusst werden. Veränderte Prozessbedingungen führen wiederum zur Beeinflussung der erzielbaren Bauteiloberflächen in Form von makroskopisch erkennbaren Rauheiten bis hin zu Mikrodefekten der Randschicht. Diese Beeinflussung des Bauteilzustands führt zu einem veränderten Bauteilverhalten bei Funktionsbauteilen und zu einer Variation der Lebensdauer bei hoch beanspruchten Bauteilen. Sowohl der Werkzeugverschleiß als auch die resultierenden Bauteilzustände und -eigenschaften nach der Zerspanung werden von den Prozessparametern und der Werkzeuggeometrie beeinflusst. Die Kenntnis des Verschleißfortschritts und der dadurch beeinflussten Bauteilqualität ermöglicht eine Optimierung der Prozessbedingungen. Um dies zu erreichen, wurden im Rahmen des Forschungsprojekts Simulationsmodelle erarbeitet, die ausgehend von Zerspanungssimulationen über die Simulation des Werkzeugverschleißes sowie der resultierenden Bauteilzustände und -eigenschaften eine ganzheitliche Prozessoptimierung ermöglichen. Mittels umfangreicher zerspanungstechnologischer Untersuchungen erfolgte neben einer Prozesscharakterisierung die Validierung der Simulationsmodelle. In der abschließenden Prozessoptimierung konnte gezeigt werden, dass bei gezielter Prozessparameterwahl eine hervorragende Kombination aus Werkzeugstandzeit und den damit erreichbaren Bauteileigenschaften erzielt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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2009, Neue Arbeiten zum Einsatz der Simulation in der spanenden Fertigung. II. CCMSE Symposium und Info-Tagung, 08.06.2009, Karlsruhe, Deutschland
Zanger, F.
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2010, Numerische Materialmodellierung und deren Anwendung in der virtuellen Produktion. Begleitband zur Klausurtagung des Graduiertenkolleg 1483 Prozessketten in der Fertigung: Wechselwirkung, Modellbildung und Bewertung von Prozessketten, 25.-26.02.2010, Bad Herrenalb, Deutschland, ISBN 978-3-8322-9036-8, S. 57-61
Zanger, F., Autenrieth, H., Hoffmeister, J., Schulze, V.
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2011, Development of a simulation model to investigate tool wear in Ti-6Al-4V alloy machining. Advanced Materials Research 223, pp 535-544
Schulze, V., Zanger, F.
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Numerical Analysis of the Influence of Johnson-Cook-Material Parameters on the Surface Integrity of Ti-6Al-4V. 1st CIRP Conference on Surface Integrity (CSI), 30.01.2012-01.02.2012, Bremen, Deutschland, Band 19, Procedia Engineering, pp. 306-311
Schulze, V., Zanger, F.
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2013, Investigations on Mechanisms of Tool Wear in Machining of Ti-6Al-4V using FEM Simulation. 14th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations (CIRP CMMO), 13.06.2013 - 14.06.2013, Turin, Italy, Procedia CIRP 8, pp. 157-162
Zanger, F., Schulze, V.
