Untersuchung der Zerspanungsmechanismen bei der ultraschallunterstützten Bearbeitung von faserverstärkten Nichtoxidkeramiken mit geometrisch bestimmter Schneide (CMCs)

 

Bedingt durch immer stärkere Umweltauflagen und stark zunehmendem intraindustriellen Wettbewerb steht im aktuellen Entwicklungsprogramm der Triebwerkshersteller vor allem die Forderung einer Steigerung des Wirkungsgrades im Vordergrund. Eine Lösung sind hierbei keramische Verbundwerkstoffe (Ceramic Matrix Composites: CMCs), die die maximal zulässige Werkstofftemperatur erhöhen und somit die Triebwerkseffizienz steigern. Allerdings sind CMCs aufgrund ihrer hohen Härte und starken Anisotropie bei konventionellen mechanischen Bearbeitungen schwer zerspanbar (ungünstiger Materialabtrag, hoher Werkzeugverschleiß, schlechte Oberflächenqualität, etc.).

Einen möglichen innovativen Ansatz zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von CMCs stellt die ultraschallunterstützte Zerspanung dar. Dabei wird der eigentlichen Werkzeugbewegung eine hochfrequente Schwingbewegung mit Frequenzen oberhalb von 16 kHz überlagert. Vorteile dieser Technologie bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen sind die Reduzierung der Prozesskräfte und Randzonenbeeinflussung sowie die Verbesserung der Bauteilqualität. Außerdem wird die Temperaturbelastung durch die periodisch wiederkehrende Werkzeug-Werkstück-Kontaktunterbrechung verringert und dadurch eine Verlängerung der Werkzeugstandzeit bewirkt. Darüber hinaus wird der Einfluss der Kühlschmierstoff-Spülwirkung durch die Kontaktunterbrechung verstärkt. Dennoch existiert aktuell kein grundlegendes Wissen über die Werkzeugschwingung auf die spanende Bearbeitung von CMCs mit geometrisch bestimmter Schneide.

Das Hauptziel dieses DFG-Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines Gestaltungsmodells für die ultraschallunterstützte Zerspanung von CMCs. Zu diesem Zweck wird eine Ultraschalleinheit in einen Grundlagenprüfstand für den orthogonalen Schnitt integriert, um den Einfluss von unterschiedlichen Schnitt-, Schwingungs- und Werkzeuggrößen auf die Spanbildung, die Prozesszustandsgrößen Kraft und Temperatur und die daraus resultierenden Werkstückoberflächeneigenschaften (Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge) zu bestimmen.