Aluminiumfräsen Hybride Werkzeugaufnahme dämpft Schwingungen beim Zerspanen

Autor / Redakteur: Florian Vogel, Sebastian Berger und Prof. Dirk Biermann / Peter Königsreuther

Ein Forscherteam an der TU Dortmund hat durch den Einsatz partikelgefüllter HSK63-Werkzeugaufnahmen eine neue Methode entwickelt, mit der Aluminiumbauteile schwingungsärmer zerspant werden können.

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Bild 1: Unter der Referenzwerkzeugaufnahme sind die drei untersuchten hybrid-additiv gefertigten Varianten dargestellt.
Bild 1: Unter der Referenzwerkzeugaufnahme sind die drei untersuchten hybrid-additiv gefertigten Varianten dargestellt.
(Bild: ISF)

Möglichst immer mehr leichte Materialien im Automobil- und Flugzeugbau zu verwenden, soll dabei helfen, die Umweltziele in Sachen reduzierter Verbrauch fossiler Energieträger zu erreichen [1]. So soll auch der Kampf gegen Feinstaub und CO2-Emissionen gewonnen werden. Damit auch Leichtbauteile den spezifischen Sicherheitsbestimmungen genügen sowie die geforderte Lebensdauer erreichen, sind zum Beispiel entweder innovative, höherfeste Werkstoffe oder eine umfassende Überarbeitung des Komponentendesigns erforderlich [1, 2]. Letzteres heißt in der Regel eine Zunahme der Bauteilkomplexität sowie die Integration zusätzlicher Versteifungselemente in die Konstruktion. Doch damit wird der Herstellungsprozess, im Speziellen eine nötige Fräsbearbeitung, erheblich komplizierter. Nicht selten sind für die Bearbeitung der aus dem Leichtbaukonzept her resultierenden Kavitäten und Strukturelemente lang auskragende Werkzeuge erforderlich. Diese sind aber weniger steif als kürzere Varianten.

Der Clou: Hybrid-additiv gefertigte Werkzeugaufnahmen

Lange Werkzeuge führen jedoch auch bei unkritischen Prozessparametern oft zu regenerativen Ratterschwingungen. Das Rattern beeinträchtigt die Oberflächengüte und kann sogar Beschädigungen des Bauteils mit sich bringen. Zudem steigt der Werkzeugverschleiß [3, 4]. Um derartige Schwingungen zu dämpfen und so auch bei kritischen Randbedingungen prozesssicher fräsen zu können, wird derzeit am Institut für Spanende Fertigung der TU Dortmund der Einsatz hybrid-additiv gefertigter, partikelgefüllter HSK63-Werkzeugaufnahmen untersucht. Dabei wurde deutlich, dass durch ein mit geeigneten Partikeln gefülltes, torusförmiges Hohlelement, das sich im additiv gefertigten HSK63-Schaft befindet, beim Fräsen von Al7075 die Prozessstabilität signifikant gesteigert werden kann.

Die Fertigung dieser speziellen Werkzeugaufnahmen erfolgte mithilfe des SLM-Verfahrens (Selective Laser Melting). Auf konventionell hergestellten HSK63-Grundkörpern wurden dabei die HSK63-Schäfte aus einem 1.279-Pulverwerkstoff der Partikelgröße dP = 0,02 bis 0,063 mm (Schüttdichte ρs = 4,02 g/cm³) mit einer Layerdicke von sL = 0,04 mm schichtweise aufgebaut [5]. Eine Aufnahme wurde ohne Kavität aufgebaut (HSK63-1). Zwei weitere Versionen davon (HSK63-2) verfügen jeweils über ein torusförmiges Hohlelement. Einer der beiden Hohlkörper ist, bedingt durch fehlende Bauteilöffnungen, ganz mit SLM-Pulver gefüllt, das beim additiven Herstellungsprozess nicht aufgeschmolzen wurde. Vier mit M3-Gewindestiften verschließbare Öffnungen erlauben außerdem die reversible Befüllung der zweiten HSK63-2 mit verschiedenen Füllpartikeln (siehe Bild 1). Die an den SLM-Prozess anschließende Nachbearbeitung der Funktionsflächen erfolgte gemäß der als Referenz eingesetzten, konventionellen Aufnahme (E9304540310160).

Gutes Dämpfungsvermögen hat sich bestätigt

Als Füllwerkstoffe wurden neben dem SLM-Pulvermaterial noch zwei von der Sigmund Lindner GmbH hergestellte Kugelwerkstoffe variierender Schüttdichten (ρs) verwendet. Und zwar im Bereich dP = 0,4 - 0,6 mm aus Wolframcarbid-Zirkonoxid (WC-ZrO2, ρs = 5,9 g/cm³) und aus Wolframcarbid-Cobald (WC-Co, ρs = 9,15 g/cm³) mit dP = 0,4 - 0,6 mm [6]. Um bei den reversiblen Befüllungen des torusförmigen Hohlelements dieses auch weitgehend komplett zu füllen, erfolgten die Füllprozesse auf einer Rüttelplatte der Form + Test GmbH.

Die Fräsversuche mit den diversen partikelgefüllten HSK63 wurden auf einem 5-Achs-Bearbeitungszentrum des Typs „Deckel Maho HSC 75 linear“ durchgeführt (Bild 2). Dabei wurden Al7075-Walzplatten mit einem Schaftfräser der Seco Tools GmbH (Typ „421L100R050Z2-MEGA-T“) ohne Kühlschmierstoff (KSS) bearbeitet. Zur Bestimmung der prozesskritischen Stabilitätsgrenzen wurden die akustischen Emissionen während der Bearbeitung mit einem speziellen Audiorecorder detektiert („Tascam DR-40X“).

Bild 2: Versuchsaufbau zur Bestimmung der HSK63-Stabilitätsgrenzen.
Bild 2: Versuchsaufbau zur Bestimmung der HSK63-Stabilitätsgrenzen.
(Bild: ISF)

Um den Versuchsverlauf zur Bestimmung der HSK63-modifikationsspezifischen Stabilitätsgrenzen möglichst effizient zu machen, wurde das Werkzeugsystem mit einem Winkel von αS = 7,1° angstellt und die Schnitttiefe ap bei konstanter Drehzahl n und Schnittbreite ae sukzessive erhöht. Mithilfe der aufgenommenen Audiosignale ließen sich somit ohne großen Zeit- und Materialaufwand die kritischen Schnitttiefen ap, krit bestimmen, bei deren Überschreiten instabile Prozessbedingungen vorliegen (Bild 3).

Bild 3: Beispiel für den Aufbau des Versuchs. Ab der kritischen Schnitttiefe treten deutliche Schwingungen auf.
Bild 3: Beispiel für den Aufbau des Versuchs. Ab der kritischen Schnitttiefe treten deutliche Schwingungen auf.
(Bild: ISF)

In Bild 4 sind die Ergebnisse der Versuche zur Ermittlung der Stabilitätsgrenzen respektive der verschiedenen Füllkonzepte zu sehen. Beim Vergleich der Referenzwerkzeugaufnahme mit der HSK63-1 zeigt sich eine Verbesserung des Dämpfungsvermögens durch den additiven Werkzeugaufbau. Offenbar resultiert die höhere Prozessstabilität primär aus dem, verglichen mit der Referenz, wesentlich höheren Gesamtgewicht, was erfahrungsgemäß mit einer Verschiebung der Eigenfrequenzen verbunden ist.

Bild 4: Dieses Diagramm veranschaulicht das Einsatzverhalten der im Projekt untersuchten Werkzeugaufnahmen.
Bild 4: Dieses Diagramm veranschaulicht das Einsatzverhalten der im Projekt untersuchten Werkzeugaufnahmen.
(Bild: ISF)

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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