Durch eine modellbasierte Einstellung des Eigenspannungszustandes in der Bauteilrandzone kann die Bauteilqualität bei der Fräsbearbeitung von Ti-6Al-4V gesteigert werden.

Der anhaltende Trend zum Leichtbau führt vermehrt zum Einsatz hochfester Konstruktionswerkstoffe. Beispielsweise werden in Gas- und Dampfturbinen hochtemperatur - beständige Titanlegierungen verwendet, um die maximal möglichen Temperaturen in der Turbine und somit deren Wirkungsgrad steigern
zu können. In der Luft- und Raumfahrttechnik werden Titanlegierungen Ti-6Al-4V aufgrund der hohen Festigkeit und der niedrigen Dichte für die Fertigung von Strukturbauteilen eingesetzt. Diesen Bauteilen wird hohe Qualität bezüglich Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit abverlangt. Um diese steigenden Anforderungen zu erfüllen, forscht einerseits die Werkstofftechnik an neuen, widerstandsfähigeren Titanlegierungen. Andererseits bietet auch eine optimierte spanende Bearbeitung von Titan die Möglichkeit, die Bauteilqualität weiter zu steigern. Ein maßgeblicher Einflussfaktor, welcher die Festigkeit eines
Bauteils nach der spanenden Bearbeitung bestimmt, ist der Eigenspannungszustand in der Randzone. Eigenspannungen entstehen beispielsweise bei der spanenden Bearbeitung durch mechanische und thermische Belastungen sowie, in geringerem Maße, durch Phasenumwandlungen.

Projektziel und Vorgehensweise
Vorrangiges Ziel des Forschungsvorhabens ist die modellbasierte Regelung des Fräsprozesses von Ti-6Al-4V zur gleichzeitigen Einstellung von definierten Geometrien und Eigenspannungszuständen. Um dieses Ziel zu erreichen, soll in der ersten Projektphase ein echtzeitfähiges analytisches Modell aufgebaut werden, das den Zusammenhang von Prozessparametern und Eigenspannungszustand beschreibt. Um den komplexen Zusammenhang zwischen den Prozessstellgrößen und dem Randschichtzustand analytisch abbilden zu können, wird ein zweistufiger Ansatz gewählt. In einem ersten Schritt wird der Wärme- und Krafteintrag in der Prozesszone modelliert.

Im zweiten Schritt erfolgt die Modellierung der resultierenden Eigenspannungen und des Härteverlaufs im Bauteil infolge der Bearbeitung. Die dabei entstehenden Teilmodelle werden anschließend zu einem Gesamtmodell gekoppelt. Die Arbeiten der ersten Projektphase stellen echtzeitfähige Modelle zur Verfügung, mit denen die thermomechanischen Bauteilbelastungen beim Fräsen von Ti-6Al-4V bestimmt werden können. Die Modelle werden in der zweiten Projektphase zur dynamischen Prozessregelung des Eigenspannungszustandes verwendet.

Dank
Unser Dank gilt der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des Projekts im Rahmen des Schwerpunktprogramms 2086 "Oberflächenkonditionierung in Zerspanungsprozessen“.

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