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Gezielte Begrenzung der Spandickenschwankung zur Stabilisierung der Spanbildung bei höherfesten Metallen

Instabile Schwing­ung­en des Fertigungssystems bestehend aus Werk­zeug, Werkstück und Maschine sind eine zentrale Her­aus­for­de­rung bei der Zerspanung von Leichtbaukomponenten. Dabei zeigt sich ins­be­son­de­re die Zerspanung von Titanlegierungen, wel­che hohe Festigkeiten bei gleichzeitig hohen Zähigkeiten sowie geringe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, als problematisch. Einen signifikanten Ein­fluss auf den Prozess hat hier die charakteristische Segmentspanbildung, da die Aus­bil­dung von segmentierten Spänen mit einer periodischen Kraftanregung des Werkzeuges verbunden ist. Diese führt zu ei­nem Herabsetzen der Bauteilqualität und der Werk­zeug­standzeit sowie einer deutlichen Verkürzung der Lebensdauer von Ma­schi­nen­komponenten. Um dieser Problematik zu be­geg­nen, stellt das Erzwingen einer gleichmäßigen Fließspanbildung einen vielversprechenden Ansatz dar.

Das Ziel dieses von der Deut­schen Forschungs­gemein­schaft (DFG) ge­för­der­ten Vorhabens ist es da­her, mit­hil­fe eines begrenzenden Elementes die Spangestalt gezielt zu be­ein­flus­sen. Durch eine erzwungene Fließspanbildung kann die Entstehung von Schwing­ung­en unterdrückt und dadurch Maß­nahmen zur Schwingungsdämpfung obsolet wer­den. Die Bil­dung des Fließspans lässt sich durch eine wei­tere Komponente bei der Spanbildung herbeiführen. Dazu ist an der freien Werkstückoberfläche, am Ende der primären Scherzone, ein Körper, der so­ge­nannte Constraint, zu positionieren (s. Abb.). Der Constraint führt im Be­reich der Scherzone zu ei­nem Spannungszustand mit großem hydrostatischen Druck, wodurch ein Werkstoffversagen verhindert wird. Jedoch resultieren aus dem Ein­satz des Constraints gesteigerte mechanische Werkzeugbelastungen, die zu ei­nem vorzeitigen Werkzeugversagen sowie einer Beschädigung von Maschinenkomponenten führen kön­nen. Daher ist es er­for­der­lich, einen Kompromiss zwischen der Beeinflussung des sich bildenden Spans und den auftretenden mechanischen Belastungen zu finden. Diesen Aspekten muss durch die Wahl einer geeigneten geometrischen Gestalt sowie einer geeigneten Positionierung des Constraints Rechnung getragen wer­den. Dazu wer­den zu­nächst eine Reihe experimenteller Un­ter­su­chun­gen durch­ge­führt, um die Aus­bil­dung der Späne mittels Hochgeschwindigkeits­videografie sowie die Versagensmechanismen im Be­reich der Scherbänder anhand detaillierter Analysen der Späne bei ver­schie­de­nen Prozessparametern zu analysieren. Anschließend wird die freie Spanbildung in ei­nem FE-Modell nachgebildet und nach er­folg­rei­cher Abbildung eine geeignete Geometrie sowie Positionierung des Constraints simulativ er­ar­bei­tet. Abschließend wird das simulativ ermittelte Optimum bezüglich Gestaltung und Positionierung des Constraints in ex­pe­ri­men­tel­len Un­ter­su­chun­gen validiert. Dabei soll zur Vermeidung einer mechanischen Überlastung ein neuartiger konstruktiver Ansatz verfolgt wer­den, bei dem der Constraint nicht fix positioniert wird, sondern mit einer Feder auf die Spanbildungszone wirkt. Auf diese Weise soll eine Überbelastung der Werk­zeuge verhindert und gleichzeitig eine Fließ­spanbildung eingestellt wer­den. Als Werkstoff kommt im Rah­men dieses For­schungs­pro­jek­tes die Titanlegierung Ti6Al4V zum Ein­satz, die eine ausgeprägte Neigung zur Scherspanbildung aufweist.

Erste Einsatzversuche belegten bereits die Umsetzbarkeit des Konzeptes. Ohne vorherige Analyse der geometrischen Gestalt und exakten Positionierung des Constraints wurden mit einer um 90° gedrehten Hartmetallwendeschneid­platte als Constraint Spanbildungsanalysen auf einer spe­zi­ell dafür kon­zi­pier­ten Maschine durch­ge­führt. Als Werkstoff kam dabei die Titanlegierung Ti6246 zum Ein­satz. Bei der Durchführung von Orthogonalschnittversuchen wurde für die freie Spanbildung eine ausgeprägte Segmentierung des Spans beobachtet. Durch die Positionierung des Constraints im Be­reich der primären Scherzone an der freien Werkstückoberfläche konnte die Ent­wick­lung von Scherbändern und somit die Segmentierung des Spans bereits er­folg­reich verhindert wer­den.

© ISF
a) Schwellende mechanische Werk­zeug­be­lastung bei der freien Zerspanung; b) konstante mechanische Werk­zeug­be­lastung bei Ein­satz des Constraints

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Anfahrt & Lageplan

Von der A1

Vom Autobahnkreuz Dort­mund/Unna auf die A44 Rich­tung Dort­mund, diese geht in die B1 über. Ausfahrt Dort­mund-Dorstfeld, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

Von der A 45

Ausfahrt Dort­mund-Eichlinghofen, Rich­tung Uni­ver­si­tät (weiter siehe Karte).

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Anreise mit der Bundesbahn bis Dort­mund oder Bochum Hbf.

Ab Dort­mund Hbf mit der S1 Rich­tung Düsseldorf bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (7 Minuten Fahrzeit).

Ab Bochum Hbf mit der S1 Rich­tung Dort­mund bis zur Haltestelle Dort­mund Uni­ver­si­tät (14 Minuten Fahrzeit).

Die S-Bahn fährt in beide Richtungen regelmäßig alle 20 Minuten. Von der S-Bahn Haltestelle aus mit der H-Bahn (Haltestelle S-Uni­ver­si­tät) bis zur Haltestelle Cam­pus Süd (1 Station, fährt im 10 Minuten-Takt).

Zu den Wahrzeichen der TU Dort­mund gehört die H-Bahn. Linie 1 verkehrt im 10-Minuten-Takt zwischen Dort­mund Eichlinghofen und dem Technologiezentrum über Cam­pus Süd und Dort­mund Uni­ver­si­tät S, Linie 2 pendelt im 5-Minuten-Takt zwischen Cam­pus Nord und Cam­pus Süd. Diese Strecke legt sie in zwei Minuten zu­rück.

Vom Flughafen Dort­mund

Mit dem Taxi zur TU Dort­mund, Cam­pus Süd (min. 20 Min und 30,- EUR) (siehe Karte)

Vom Flughafen Düsseldorf

Mit der S-Bahn Linie S1 Rich­tung Dort­mund bis Haltestelle Dort­mund-Uni­ver­si­tät (ca. 90 Min). Von hier mit der H-Bahn Rich­tung Cam­pus Süd oder Eichlinghofen (fährt alle 10 Min) bis Cam­pus Süd (ca. 3 Min)

Die Ein­rich­tun­gen der Technischen Uni­ver­si­tät Dort­mund verteilen sich auf den größeren Cam­pus Nord und den kleineren Cam­pus Süd. Zu­dem befinden sich einige Bereiche der Hoch­schu­le im angrenzenden Technologiepark. Genauere In­for­ma­ti­onen kön­nen Sie den Lageplänen entnehmen.

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