TR73

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B3 - Oberflächenstrukturen



Erzeugung definierter Oberflächenstrukturen durch simulationsbasierte Prozess- und Werkzeugauslegung für das Fräsen von Freiformflächen

Projektstatus: laufend

Letztes Update: 24.01.2017



Mitglieder


Im Rahmen des Teilprojekts B3 wird die Simulation und frästechnische Erzeugung von deterministischen Oberflächenstrukturen auf großflächigen Werkzeugbereichen der Blechmassivumformung untersucht. Diese sollen dazu genutzt werden, die bisher unzureichende Formfüllung von Funktionselementen und Kavitäten zu steigern, in dem der Materialfluss im Werkzeug gezielt abgebremst oder umgeleitet wird. Ein effizientes Verfahren zur Erzeugung von deterministischen Oberflächenstrukturen ist das Hochvorschubfräsen. Beim Hochvorschubfräsen haben die Prozessparameter sowie die Schneidengestalt der Werkzeuge einen wesentlichen Einfluss auf die Oberflächenstruktur und deren Eigenschaften. Durch die Simulation des Fräsprozesses, ist es möglich, die Eigenschaften der Oberflächenstrukturen vor dem realen Fräsprozess zu bestimmen. Bisher konnten durch diesen Ansatz eine große Anzahl an tribologischen Oberflächenstrukturen simuliert, erzeugt und in Blechmassivumformwerkzeugen zur Stoffflusssteuerung validiert werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bisher genutzten konventionellen Fräswerkzeuge aufgrund ihrer eingeschränkten Geometrie, die geforderten Oberflächencharakteristika nur teilweise einbringen konnten. So ist in der dritten Phase eine simulationsbasierte Entwicklung von Fräswerkzeugen für die Strukturierung von Oberflächen vorgesehen. Durch den Entwurf von unterschiedlichen Schneidengeometrien, basierend auf den Erkenntnissen der zweiten Phase, sollen Oberflächen erzeugt werden, die die geforderten Oberflächencharakteristika der Blechmassivumformung erfüllen. Nachfolgend werden diese mittels experimentellen Untersuchungen auf ihr Reibverhalten hin analysiert. 

Experimentell erzeugte Oberflächenstrukturierung zur Materialflusssteuerung

Experimentell erzeugte Oberflächenstruktur zur Materialflusssteuerung

Bei der Strukturierung von Werkzeugoberflächen können in Übergangsbereichen, an Radien, sowie in Kavitäten geometrische Abweichungen und Oberflächenartefakte entstehen, welche zum größten Teil auf die beschränkte Maschinendynamik zurückzuführen sind. Diese können bisher nicht mit der entwickelten Frässimulation abgebildet werden, da diese das Beschleunigungsverhalten der Werkzeugmaschine nicht mitbetrachtet. So soll die bisher genutzte Frässimulation weiterentwickelt werden, um die dynamischen Eigenschaften, wie beispielsweise das Beschleunigungs- und Abbremsverhalten der Werkzeugmaschine, abbilden zu können. In Umformformversuchen sowie tribologischen Tests zeigte sich, dass die erzeugten Oberflächenstrukturen Druckeigenspannungen in die Oberfläche einbringen, aber dennoch verschiedenen Verschleißmechanismen unterliegen. Deshalb ist ein weiteres Ziel der dritten Phase in Zusammenarbeit mit TP C1, die entwickelten Oberflächenstrukturen auf ihr Verschleißverhalten zu untersuchen. Hierbei wird der Zusammenhang zwischen den Oberflächencharakteristika (Rz, Rpk), den in der Randzone herrschenden Eigenspannungen σ sowie den Bearbeitungsparametern (vc, vf) der Oberflächenstrukturen mit dem Verschleißzustand der Oberflächen untersucht.

Bei der Blechmassivumformung werden die Werkzeugoberflächen in bestimmten Bereichen mit hohen mechanischen Spannungen (2000 MPa) belastet. Dies kann zu einer Deformation der jeweiligen Werkzeugoberflächen führen. Um diesem Fehler entgegenzuwirken, soll untersucht werden, inwieweit eine Gradierung der Oberflächenstrukturen eine Optimierung dieser Bereiche herbeiführen kann. Dabei sollen insbesondere höher belastete Bereiche sowie Übergänge zu Radien und Kavitäten, so gradiert werden, dass plateauartige Bereiche entstehen. Beispielweise sollen in höher belasteten Bereichen die Oberflächenstrukturen niedrigere Profilhöhen aufweisen, um so ein erhöhtes Belastungskollektiv aufnehmen zu können

Durch Schleifen gradierte Oberflächenstrukutur


Arbeitskreise