Aus den globalen Klimaschutzzielen folgt für die Produktionstechnik die vermehrte Fräsbearbeitung von dünnwandigen Bauteilen. In Kombination mit dem Einsatz von nachgiebigen Werkzeugen ergeben sich oftmals Prozessschwingungen. Die hieraus resultierende Problemstellung umfasst schlechte Oberflächenqualitäten bis hin zu Rattermarken und dadurch bedingter Ausschuss. Ein innovativer Ansatz zur Reduzierung von Prozessinstabilitäten aufgrund von Werkzeugschwingungen ist die Integration von superelastischen Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (NiTi-FGL) in das Werkzeugsystem. Grundlage hierfür ist das Dämpfungspotential von NiTi-FGL, das auf einer spannungsinduzierten, reversiblen Phasenumwandlung im festen Werkstoffzustand basiert. Vor diesem Hintergrund war die übergeordnete Zielsetzung der Arbeit die systematische Erforschung des Einflusses vom werkzeugseitigen Einsatz superelastischer NiTi-FGL auf die dynamische Prozessstabilität bei der Fräsbearbeitung. Dazu wurde zunächst das festgelegte Werkstoffspektrum (NiTi-1 bis NiTi 3 sowie ein Referenzstahl) untersucht und charakterisiert. Es wurden die Werkstoffzusammensetzungen, -eigenschaften, Umwandlungstemperaturen sowie das Spannungs-Dehnungsverhalten analysiert. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde ein grundlagenorientierter Versuchsaufbau entwickelt und statisch sowie dynamisch untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses der NiTi-Integration in den Versuchsaufbau dienten Nachgiebigkeitsfrequenzgänge (NFG), die im nächsten Schritt basierend auf periodischer Anregung simuliert wurden. Hierfür wurden ein phänomenologisches Werkstoffmodell, die Modellierung des Balkeneinspannbereichs und ein Euler-Bernoulli-Balken miteinander gekoppelt. Die Simulationsergebnisse wurden mit den Experimenten verglichen und darüber hinaus wurde der Einfluss der Anregungskraft auf den NFG des Gesamtsystems analysiert. Die Methodik und Modellierung der Grundlagenversuche wurden nachfolgend auf reale Fräswerkzeug-Systeme übertragen. Es wurden die NFG von modifizierten Werkzeugsystemen mit integrierten NiTi-Hülsen im Vergleich zum Standard analysiert. Abschließend wurden Bearbeitungsaufgaben in Form von experimentell bestimmten Stabilitätskarten sowie der Fräsbearbeitung einer realen Blisk-Schaufel mit den modifizierten Werkzeugsystemen untersucht. Zusammenfassend wurden die Erkenntnisse hinsichtlich des positiven Einflusses der NiTi-FGL-Integration auf die dynamische Prozessstabilität auch für die reale Fräsbearbeitung bestätigt.

Details
Autor Schäfer, Alexander
Gewicht 0.331 kg
Erscheinungsdatum 11.04.2022
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Prozesstechnologie

Schäfer, Alexander

Werkzeugseitiger Einsatz von NiTi-FGL zur Verbesserung der dynamischen Prozessstabilität bei der Fräsbearbeitung

ISBN: 978-3-98555-060-9
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Kurzbeschreibung

Die aus schwingungsbehafteter Fräsbearbeitung resultierende Problemstellung umfasst schlechte Werkstück-Oberflächen bis hin zu Ausschuss. Ein innovativer Ansatz zur Schwingungsreduktion ist die werkzeugseitige Integration von superelastischen Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen (NiTi-FGL). Die Zielsetzung dieser Arbeit war daher die systematische Erforschung des Einflusses vom werkzeugseitigen Einsatz superelastischer NiTi-FGL auf die dynamische Prozessstabilität bei der Fräsbearbeitung.

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