Schwingungsunterstützte Zerspanung von faserverstärkten Kunststoffen

Im Rahmen dieser Arbeit ist die ultraschallunterstützte Bearbeitung eines Faserverbundwerkstoffes mit einer in Schnittrichtung orientierten Werkzeugschwingung grundlegend untersucht worden. Unter Anwendung der kinematischen Zusammenhänge, der Durchführung fundamentaler Zerspanversuche mit anschließender Analyse der Wirkzusammenhänge und der Anwendung eines mechanistischen Zerspankraftmodells wurden dabei anwendungsorientierte Prozessauslegungsregeln zur Steigerung der Zerspanbarkeit erarbeitet.

Die ultraschallunterstützte Drehbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide und einer in Schnittrichtung orientierten Werkzeugschwingung hat sich als innovatives Fertigungsverfahren zur Bearbeitung von spröden Werkstoffen und unterschiedlichen Stahllegierungen innerhalb diverser Industriezweige und hier vor allem der Optikindustrie etabliert. Aufgrund fehlender Schwingungssysteme zur Erzeugung einer in Schnittrichtung orientierten und damit torsional gerichteten Ultraschallschwingung, konnte das Potenzial dieser speziellen Fertigungstechnologie jedoch bislang nicht für Fräsbearbeitung mit rotierenden Werkzeugen erschlossen werden. In diesem Zusammenhang gilt die mechanische Zerspanung von spröd-harten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK) als mögliches zukunftsträchtiges Anwendungsgebiet. Im Rahmen dieser Arbeit soll daher die Bearbeitung eines CFK-Werkstoffes mit einer Schnittrichtung orientierten Schwingung anhand eines Orthogonalprüfstandes fundamental untersucht werden. Das primäre Ziel der Untersuchungen ist die Ergründung der bei einer hochfrequenten Wechselbelastung der Fasern zu Grunde liegenden Wirkmechanismen und die daraus resultierende Erschließung des Potenzials zur Steigerung der Leistungsfähigkeit im Vergleich zum konventionellen Zerspanprozess. Auf dem Weg zu einer ganzheitlichen Prozessanalyse werden zunächst die kinematischen Gegebenheiten beim ultraschallunterstützten Orthogonalschnitt erarbeitet und anschließend auf die Fräsbearbeitung übertragen. Über die Analyse des Spanbildungsprozesses, der Zerspankraft und der generierten Oberflächenqualität für die Zerspanung bei unterschiedlichen Fasertrennwinkeln, werden anschließend Potenziale und Grenzen des Prozesses identifiziert und der Einfluss einzelner Stellgrößen auf die Zerspanmechanismen herausgearbeitet. Unter Anwendung eines mechanistischen Zerspankraftmodells, der Verknüpfung mit der kinematischen Beschreibung sowie den zuvor erarbeiteten Wirkzusammenhängen wird abschließend eine anwendungsorientierte Richtlinie für die Prozessauslegung generiert und damit eine fundierte Basis zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit der mechanischen Endbearbeitung von CFK-Werkstoffen geschaffen.