SPP 2086 - Modellbasierte Bestimmung der Randzoneneigenschaften bei der Fräsbearbeitung von Ti-6Al-4V

Ausgangssituation

Der anhaltende Trend zum Leichtbau führt vermehrt zum Einsatz hochfester Konstruktionswerkstoffe. Beispielsweise werden in Gas- und Dampfturbinen hochtemperaturbeständige Titanlegierungen verwendet, um die maximal möglichen Temperaturen in der Turbine – und somit deren Wirkungsgrad – steigern zu können. In der Luft- und Raumfahrttechnik wird die Titanlegierung Ti-6Al-4V aufgrund der hohen Festigkeit und der niedrigen Dichte für die Fertigung von Strukturbauteilen eingesetzt. Diesen Bauteilen werden hohe Qualitätsanforderungen bezüglich Dauerfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit abverlangt. Um diese steigenden Anforderungen zu erfüllen, forscht einerseits die Werkstofftechnik an neuen, wiederstandfähigeren Titanlegierungen. Anderseits 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 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 aus den Prozessparametern und dem Eigenspannungszustand beschreibt. Dabei sollen auch der Werkzeugverschleißzustand als beobachtbare Störgröße sowie streuende Materialeigenschaften der Rohteile als verborgene Störgröße berücksichtigt werden. Für die Regelung wird ein prototypischer sensorischer Werkzeughalter zur in-process-Messung von Temperaturen und Zerspankräften qualifiziert und eingesetzt. Um den komplexen Zusammenhang zwischen den Prozessstellgrößen und dem Randschichtzustand analytisch abbilden zu können, wird ein zweistufiger Ansatz gewählt. Zunächst erfolgt in einem ersten Schritt die Modellierung des Wärme- und Krafteintrags in der Prozesszone. In einem zweiten Schritt erfolgt anschließend 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. Diese bilden die Grundlage für die Modellierung des Eigenspannungszustands und des Härteverlaufs der Bauteilrandschicht nach der spanenden Bearbeitung. Die Modelle werden in der zweiten Projektphase zur dynamischen Prozessregelung des Eigenspannungszustandes verwendet. Dies beinhaltet die Entwicklung und Implementierung eines geeigneten Regelungskonzepts und die Überprüfung der Regelung auf Robustheit gegen Störeinflüsse.

Dank

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