Betriebsfestigkeit schnell drehender Werkzeuggrundkörper bei zyklischer Fliehkraftbelastung

Status:

abgeschlossen 12/2000

Zielsetzung:

Unverzichtbare Voraussetzung für die zunehmende Anwendung der Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung als innovatives Verfahren sind sichere Werkzeuge. Sicherheitsprobleme der Werkzeuge resultieren aus der um den Faktor fünf bis zehn gesteigerten Prozessdynamik (d. h. Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl, Vorschub). Schnell rotierende Werkzeuge sind gegenüber der konventionellen Zerspanung wesentlich größeren Fliehkräften ausgesetzt, die die Bearbeitungskräfte in der Regel bis zu einer Zehnerpotenz überschreiten können. Das fliehkraftbedingte Versagen stellt daher eine starke Gefährdung des Bedienpersonals sowie der Umgebung dar. Es liegen bisher kaum Erkenntnisse über die Betriebsfestigkeit solcher Werkzeuge bei zyklischer Belastung vor, bei der neben der statischen Festigkeit die Materialermüdung Bedeutung erlangt. Insbesondere der Werkzeuggrundkörper setzt im Berstfall große schadbringende Energiemengen frei, so dass dieser insbesondere über seinen Einsatzzeitraum betriebsfest sein muss, das heißt, dass es nicht zur versagensrelevanten Materialermüdung kommen darf. Besondere Wichtigkeit erhält diese Problematik durch den vermehrten Einsatz von Aluminiumlegierungen als Grundkörperwerkstoffe.

Ziel des Projektes war es, auf der Basis zyklischer Belastungsuntersuchungen einfach handhabbare Berechnungs- und Abschätzungsverfahren für die betriebsfeste bzw. dauerfeste Auslegung von Werkzeuggrundkörpern aus Aluminiumlegierungen zu entwickeln. Ferner sollte das Projekt der Weiterentwicklung der Normung der Werkzeugsicherheit dienen. Das Projekt bot zudem die Möglichkeit, das an der Forschungsstelle systematisch erarbeitete Wissen sowie die vorhandenen Prüfstandseinrichtungen und Berechnungssysteme kleinen und mittleren Unternehmen nutzbar zu machen.

Aktivitäten/Methoden:

Das Projekt gliederte sich in drei wesentliche Bereiche und beinhaltete theoretische Arbeiten, konstruktive Arbeiten sowie experimentelle Arbeiten. Im theoretischen Teil des Projektes erfolgten die Schwachstellenanalysen von Werkzeuggrundkörpern nach DIN 8030, Formulierung von Modellgesetzmäßigkeiten für den Entwurf von Testrotoren, Definition der Versuchsmatrix, theoretische Ermittung von Kennfunktionen der Bauteil-Beanspruchbarkeit, Formulierung eines Schadensakkumulations-Ansatzes, Anpassung der theoretischen Kennfunktion der Bauteilbeanspruchbarkeit an die experimentell gewonnenen Kennfunktionen (Bauteilwöhlerlinien), Anpassung des Schadensakkumulationsansatzes für geänderte Lastkollektive anhand experimenteller Ergebnisse. Im Rahmen der konstruktiven Arbeiten erfolgte der Entwurf und die Konstruktion von Versuchsrotoren. Die experimentellen Arbeiten umfassten die Bestimmung der Bauteilwöhlerlinien im einstufigen Fliehkraftbelastungsversuch bei schwellender Belastung sowie der Ermittlung der Lebensdauerlinien für definierte mehrstufige Lastkollektive mit Spannungsverhältnissen.

Ergebnisse:

Im Rahmen des Projektes wurde die Drehzahlfestigkeit von Werkzeuggrundkörpern der Aluminiumlegierung AIZnMgCu 1,5 in Abhängigkeit von der Anzahl der durchfahrenen Fliehkraftbelastungszyklen untersucht. Die experimentellen Untersuchungen erfolgten mit verschiedenen Proben und Untersuchungsverfahren, die auf der Basis der realen Werkzeugbeanspruchung mithilfe ähnlichkeitsmechanischer Betrachtungen ausgelegt wurden.

Innerhalb des Projektes konnte im Rahmen interuniversitärer Kooperation die Problematik ausführlich und der Fragestellung angemessen untersucht und aufbereitet werden. Durch die fachliche Aufbereitung und Umsetzung sowohl in Kenngrößen, Berechnungsansätze und Gestaltungsempfehlungen kommen die Ergebnisse den Werkzeugherstellen direkt zugute. Um die Ergebnisse bereits in der Phase der Erarbeitung dem interessierten Industriekreis nutzbar zu machen, fanden regelmäßige Projekttreffen stat. Ferner erfolgten Veröffentlichungen in Fachorganen und Vorstellungen auf Messen.

Veröffentlichungen:

Schulz, H.; Würz, T.; Huerkamp, W.: Fatique of Tools in High Speed Milling. WGP-Annalen Volume VII/2. WGP-Selbstverlag 2000

Schulz, H.; Würz, T.; Huerkamp, W.: Safety Aspects of Fast Rotating Tools. In: Technologies of the XXI Century Machines Manufacturing. Springer, Berlin 2001

Stand: