Untersuchungen zur Einspannung von FVK-Bauteilen

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Die Einspannung der rechteckigen Versuchsproben erfolgt an den Probenecken durch vier kreisförmige Auflageflächen. Durch Variation der jeweiligen Abstände von den Auflageflächen ergeben sich unterschiedliche Einspannbedingungen. Die Einspannabstände reichen von jeweils 40 bis 180 mm. Zusätzlich durchgeführte Referenzbohrungen, bei denen die Einspannung nahezu ideal steif ist, ermöglichen eine quantitative Bewertung der Bearbeitungsqualität bei den Einspannsituationen sowie eine Beschreibung des Werkzeugverschleißes. Die Messung von axialen Prozesskräften und -momenten erfolgt durch ein rotierendes piezoelektrisches Mehrkomponentendynamometer vom Typ 9215A der Firma Kistler.

Die verwendeten Proben bestehen aus CFK-Platten mit biaxialem Gelege (Faser-‑orientierung: 0°/90° und 45°/-45°) und einer Stärke von 2,5 mm. Die Probengeometrie ergibt sich aus den jeweiligen Einspannsituationen. Als Werkzeug steht ein 10-mm-Vollhartmetallbohrer nach DIN 6539 zur Verfügung, mit dem die Bohrversuche unter einer konstanten Vorschubgeschwindigkeit v_f = 300 mm/min und einer Drehzahl n = 3000 min^-1 durchgeführt werden. Die Versuchsmaschine ist ein Bearbeitungszentrum vom Typ Heller MC-16.

Die Versuche werden hinsichtlich der Bauteildynamik, der wirkenden Prozesskräfte und durch eine optische Schädigungsanalyse der Werkstückober- und -unterseite ausgewertet. Das obere Diagramm zeigt die axiale Schnittkraft Fz einer rechteckigen Einspannung (rot, Probengeometrie: 80 mm × 80 mm), der vorangegangenen Referenzbohrung (blau) gegenübergestellt. Aus der Gegenüberstellung der beiden Kraftverläufe ergibt sich, dass der Betrag der maximalen axialen Schnittkräfte der Einspannsituation und der Referenzbohrung in etwa gleich sind. Das Kraftmaximum stellt sich im Bohrverlauf noch kurz vor dem Durchbohren der Querschneide durch die Werkstückunterseite ein. Mit größer werdendem Einspannabstand kommt es zu einer zeitlichen Verschiebung des Kraftmaximums. Diese zeitliche Verschiebung kann als Durchbiegung der Probenplatte im Vergleich zur Referenzbohrung interpretiert werden.

Große Abstände führen eher zum Bauteilversagen

Das untere Diagramm markiert den Kraftverlauf einer Einspannung mit großen Einspannabständen (40 mm × 180 mm) und den Kraftverlauf der entsprechenden Referenzbohrung. Zusätzlich zu der zeitlichen Verschiebung durchbricht das Werkzeug nach Erreichen der Maximalkraft ab einem gewissen Mindestabstand der Einspannung zur Bohrungsposition im weiteren Verlauf das Werkstück anstatt es zu schneiden, wodurch es zu einem abrupten Abfall der axialen Schnittkraft kommt. Es kommt zum Versagen und es entstehen „Push-out“-Schädigungen [7].

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