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Aluminiumfräsen

Hybride Werkzeugaufnahme dämpft Schwingungen beim Zerspanen

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Deutliche Erhöhung der Schnitttiefe möglich

Im Gegensatz zu dem verbesserten Schwingungsverhalten der HSK63-1 ist ersichtlich, dass das im Schaft der HSK63-2 generierte, ungefüllte Hohlelement, die Dämpfungseigenschaften reduziert. Zwar liegt die Stabilitätsgrenze mit ap, krit = 4,5 mm geringfügig oberhalb der kritischen Schnitttiefe der Referenz, eine adäquate Schwingungsdämpfung ist hier jedoch nicht zu verzeichnen. Darüber hinaus erwiesen sich der zur Befüllung des torusförmigen Hohlelements eingesetzte SLM-Pulver- sowie der WC-ZrO2-Kugelwerkstoff, letztgenannter sowohl bei 100%iger als auch bei 50%iger Füllung, als ungeeignet, um das Dissipationsvermögen (Aufnahme und Dämpfung der Schwingungsenergie) der HSK63-2 signifikant zu verbessern. Vielmehr führte die SLM-Pulverbefüllung zu einer erkennbaren Verschlechterung des Zerspanungsprozesses. Im Gegensatz dazu bewirkte die Verwendung von WC-Co-Partikeln als Füllwerkstoff eine erhebliche Steigerung der HSK63-2-Dämpfungseigenschaften.

Das größte Dissipationspotenzial ist bei 50%iger Befüllung mit dem Kugelwerkstoff der Schüttdichte von ρs = 9,15 g/cm3 erkennbar, sodass die mit ap krit = 6,67 mm prozesssicher machbare Schnitttiefe den Referenzwert um circa 67 % überschreitet. Hervorzuheben bleibt, dass die Referenz und die mit WC-Co-Kugeln halb gefüllte HSK63 ein vergleichbares Gesamtgewicht aufweisen. Somit ist auszuschließen, dass die verbesserte Prozessstabilität der kugelgefüllten Aufnahme nicht etwa aus etwaigen Gewichtsunterschieden und den damit verbundenen, veränderten Eigenfrequenzen resultiert. Einzig die im Partikeldämpfer wirkenden Dissipationsvorgänge, das heißt, der reibungsbedingte sowie der durch die halbe Befüllung der Kavität ermöglichte, partikelkollisionsbedingte Abbau der kinetischen Schwingungsenergie, sind als verantwortlich für die deutlich gesteigerte Stabilitätsgrenze anzusehen.

Anhand der durchgeführten Untersuchungen konnte aufgezeigt werden, dass eine signifikante Steigerung der Prozessstabilität bei der Fräsbearbeitung von Al7075 durch den Einsatz von hybrid-additiv gefertigten HSK63, 50%ig befüllt mit WC-Co-Kugeln, möglich ist (Bild 5). Verglichen mit der betrachteten Referenzaufnahme, lässt sich daraus resultierend die bei den gegebenen Randbedingungen prozesssicher realisierbare Schnitttiefe ap, krit signifikant erhöhen und somit die für große Strukturbauteile potenziell benötigte Prozessdauer wesentlich reduzieren.

Bild 5: Es hat sich gezeigt, dass sich die Prozessstabilität durch eine 50%ige Füllung des Hohlraums der HSK63-Aufnahme mit WC-Co-Partikeln deutlich erhöht hat.
Bild 5: Es hat sich gezeigt, dass sich die Prozessstabilität durch eine 50%ige Füllung des Hohlraums der HSK63-Aufnahme mit WC-Co-Partikeln deutlich erhöht hat.
(Bild: ISF)

Weitere Maßnahmen werden die Wirkung noch steigern

Darauf aufbauend werden in zukünftigen Arbeiten einerseits Variationen der HSK63-Hohlelementgeometrie fokussiert. Andererseits ist es das Ziel, während des additiven Herstellungsprozesses zusätzliche Strukturelemente innerhalb der Kavitäten zu generieren, wodurch sich die Anzahl potenzieller Kontaktflächen zwischen Füllwerkstoff und Aufnahme erhöht, was eine weitere Steigerung des Dissipationspotenzials mit sich bringt.

Dieses Projekt wurde gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 315697914. Hierfür gilt ein besonderer Dank.

Literatur

[1] Raedt, H.-W.; Wilke, F.; Ernst, C.-S.: Initiative Massiver Leichtbau - Leichtbaupotenziale durch Massivumformung. ATZ, 116 (2014) 3, S. 58 - 64.

[2] Drewes, E. J.; Engl, B.; Kruse, J.: Höherfeste Stähle - heute und morgen. Stahl und Eisen, 119 (1999) 5, S. 115 - 122.

[3] Sujatmiko, A.; Hartono, M.; Purwanto, R. E.: Groove Overhang Impact on the Result of Surface Roughness on Vertical CNC Milling Process. Applied Mechanics and Mate-rials, 836 (2016), S. 191 - 196.

[4] Toh, C. K.: Cutter path orientations when high-speed finish milling inclined hardened steel. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, (2006) 27, S. 473 - 480.

[5] Oerlikon AM Europe GmbH: Produktinformation 1.2709 SLM Pulvermaterial. Barleben (2017).

[6] Sigmund Lindner GmbH: Produktinformationen SiLibeads Kugelwerkstoffe Typ WC-ZY und WC-Co. Warmensteinach (2019).

* TU Dortmund in 44227 Dortmund, Tel. (02 31) 7 55-27 84, info@isf.de, www.isf.de

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