Elektronenstrahl verringert Prozesskräfte beim Zerspanen

Anbieter zum Thema

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

TU Braunschweig Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik

In einem zweiten Versuch wurde daher die Strahlleistung auf 130 W reduziert. Das Material wurde trotz des verringerten Wärmeeintrags so weit erwärmt, dass keine Spanbildung stattgefunden hat.

Auf 60 W reduzierte Elektronenstrahlleistung führt zu gewünschter Spanbildung

Eine weitere Reduzierung der Strahlleistung auf 60 W hat in einem dritten Versuch bei identischen Versuchsbedingungen zu einer Spanbildung geführt. Bild 3 zeigt REM-Aufnahmen von einem Ti6242-Span, der ohne einen Wärmeeintrag erzeugt wurde. In Bild 4 ist ein Ti6242-Span abgebildet, der auf Basis einer elektronenstrahlbasierten Warmzerspanung bei einer Strahlleistung von 60 W erzeugt wurde.

In weiteren Untersuchungen soll der Einfluss der Strahlleistung auf die Spanbildung analysiert werden. Eine zentrale Frage wird dabei sein, ob die eingebrachte Wärmeleistung zu einer Fließspanbildung führen kann.

Spanndicken von 200 µm konnten erreicht werden

Die Inconel-718-Legierung lässt sich kalt nur sehr schwer spanen. Mit dem Elektronenstrahl konnten Spandicken von 200 µm erzielt werden. Bild 5 belegt die erfolgreiche Spanbildung an der In718-Legierung. Exemplarisch durchgeführte FEM-Simulationen der Spanbildung an Inconel 718 belegen den Einfluss der Warmzerspanung auf die Prozesskräfte.

Dabei wurden zweidimensionale Spansimulationen im Orthogonalschnitt bei Raumtemperatur sowie bei einer Werkstücktemperatur von 600 °C durchgeführt. Entscheidend für eine aussagefähige Simulation sind geeignete Plastizitätskennwerte für den untersuchten Werkstoff. Deshalb wurde für die vorliegenden Berechnungen ein Materialmodell nach Johnson-Cook verwendet, das die Fließspannung in Abhängigkeit von der Dehnung, der Dehnrate und der Temperatur beschreibt.

Die Materialparameter für Inconel 718 wurden der Literatur entnommen [8]. Analog zu den durchgeführten experimentellen Versuchen wurde der Spanwinkel des verwendeten Werkzeugs in den durchgeführten Simulationen mit 0°, der Freiwinkel mit 20°, die Schnittgeschwindigkeit v_c mit 4 m/min und die Schnitttiefe mit 100 μm angenommen. Das Werkzeug wurde in beiden Simulationen als starrer Körper modelliert, um Rechenzeit einzusparen. Die Bilder 6 und 7 zeigen einige exemplarische Spangeometrien sowie die dazugehörigen Schnittkräfte am Schneidkeil.

Literatur

[1] Wantzen, B.: Revolution in der Fertigungstechnik. Laserunterstützte Warmzerspanung verhilft neuen Werkstoffen zum Durchbruch. Technische Rundschau Transfer 9/1994, S. 14-16.

[2] Weingaertner, W. L.: Optimale Anordnung einer punktuellen Wärmequelle bei der Warmzerspanung. Industrie-Anzeiger 1/1983, S. 40-41.

[3] Zäh, M. F., M. Baur und R. Wiedenmann: Laserunterstütztes Fräsen reduziert die Prozesskräfte. MM Maschinenmarkt 5/2011, S. 26-28.

[4] Böhm, S. und andere: Entwicklung eines elektronenstrahlbasierten Mikro-Produktionszentrums. In: Technologien und Werkstoffe der Mikro- und Nanosystemtechnik. Berlin: VDE Verlag 2007.

[5] Böhm, S. und andere: Elektronenstrahlbasierte Fertigung von Mikroprodukten. Schweiß-, Bohr- und Abtragprozesse im Mikroproduktionszentrum. wt Werkstattstechnik online, 11/2007, S. 868-872.

[6] Böhm, S. und andere: Entwicklung eines elektronenstrahlbasierten Mikro-Produktionszentrums. In: Technologien und Werkstoffe der Mikro- und Nanosystemtechnik (53). GMM-Workshop. Karlsruhe, 7. bis 8. Mai 2007. VDE-Verlag.

[7] Böhm, S., C. Börner und T. Löwer: The electron beam as versatile tool for the mems and precision engineering technology. In: First International Electron Beam Welding Conference, 17. bis 18. November 2009, Chicago/USA. The American Welding Society (AWS).:

[8] Uhlmann, E., Graf v. d. Schulenberg und R. Zettier: Finite Element Modelling and Cutting Simulation of Inconel 718. Cirp Annals – Manufacturing Technology, Volumn 56, 1/2007, S. 61-64.

* Dr.-Ing. Hans Werner Hoffmeister ist stellvertretender Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (IWF) der TU Braunschweig; Prof. Dr.-Ing. Stefan Böhm ist Fachgebietsleiter trennende und fügende Fertigungsverfahren der Universität Kassel; Dipl.-Ing. Arne Gerdes und Dipl.-Wirtsch.-Ing. Marc Rüggeberg sind wissenschaftliche Mitarbeiter am IWF.

(ID:26572450)