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Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen mit ultrasonisch modulierter Schnittgeschwindigkeit
Abstract
Kurzfassung
Die steigenden Anforderungen an die Festigkeit und die Qualität von Bauteilen und die damit verbundene Verwendung hochfester Materialien erfordert die Weiterentwicklung neuer wirtschaftlicher Zerspanungstechniken. Durch eine werkzeugseitige Schwingungsüberlagerung können bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Werkstoffen die Zerspankräfte und der Werkzeugverschleiß reduziert sowie die Oberflächenqualität verbessert werden.
... Reif et al. [14] investigated the influence of US-assisted grinding of the glass-ceramic Zerodur. They showed that for peripheral grinding the machining force and the workpiece roughness can be reduced by a superposition of a 10.8 µm US amplitude. ...
... The tool wear with CMQL was much more sensitive than with FC when applying US superposition. For both cooling techniques, grinding forces could be reduced with US superposition, which is in accordance with Reif et al. [14]. With FC, the US assistance reduced the cutting force by 26%, whereas with CMQL it decreased by 31%. ...
Increasing demands on component properties are leading to the development of high-performance materials for which conventional production methods are reaching their limits from an economic and ecological point of view. In recent years, two technologies have been developed that show great potential compared to conventional machining processes, particularly in machining high-performance materials such as the titanium alloy Ti-6Al-4V. Ultrasonic-assisted machining leads to reduced cutting forces and increased tool life. Cryogenic minimum quantity lubrication prevents the occurrence of high machining temperatures and allows higher material removal rates without a negative impact on tool life. This paper shows the influence of ultrasonic-assisted milling and grinding processes in combination with cryogenic minimum quantity lubrication on the machinability of the high-strength materials Ti-6Al-4V and Zerodur. The investigation addressed cutting forces, tool wear, and surface roughness. The superposition of the technologies resulted in longer tool life and lower tool wear for both milling and grinding. However, the surface roughness was consistently higher due to the ultrasonic superposition. Nevertheless, machining with ultrasonic vibration-assisted cryogenic minimum quantity lubrication has great potential for difficult-to-machine materials, especially due to the reduction in tool wear.
In order to further improve the processing performance of rotary ultrasonic machining (RUM), a novel longitudinal-torsional coupled (LTC) vibration was applied to the RUM. An experimental study on quartz glass was performed to access the feasibility of the LTC-RUM of a brittle material. The LTC-RUM was executed through the addition of helical flutes on the tool of conventional longitudinal RUM (Con-RUM). The experimental results demonstrated that the LTC-RUM could reduce the cutting force by 55% and the edge chipping size at the hole exit by 45% on an average, compared to the Con-RUM. Moreover, the LTC-RUM could also improve the quality of the hole wall through the reduction of surface roughness, in particular, when the spindle speed was relatively low. The mechanism of superior processing performance of LTC-RUM involved the corresponding specific moving trajectory of diamond abrasives, along with higher lengths of lateral cracks produced during the abrasives indentation on the workpiece material. The higher edge chipping size at the hole entrance of LTC-RUM indicated a higher length of lateral cracks in LTC-RUM, due to the increase in the maximum cutting speed. Furthermore, the effect of spindle speed on the cutting force and surface roughness variations verified the important role of the moving trajectory of the diamond abrasive in the superior processing performance mechanism of LTC-RUM.
Das Buch beschäftigt sich mit der statistischen Versuchsplanung und wendet sich an Ingenieure aus Entwicklung und Fertigung. Die statistische Versuchsplanung (Design of Experiment, DoE) ist ein Verfahren zur Analyse von (technischen) Systemen. Dieses Verfahren ist universell einsetzbar und eignet sich sowohl zur Produkt- als auch zur Prozessoptimierung. Planung und Durchführung von systematischen Versuchsreihen, zur Optimierung von Produkten oder Fertigungsprozessen mit engem Praxisbezug, sind das Hauptanliegen. Simulationsmodelle können durch statistische Versuchsplanung ressourcensparend eingesetzt werden. Ergebnisse lassen sich besser kommunizieren. Besonders erfolgreich ist das Verfahren dann, wenn viele Einflussgrößen zu berücksichtigen sind, zum Beispiel im Bereich Fahrzeugsicherheit oder auch bei Prozessoptimierung in der Verfahrenstechnik. Die Statistische Versuchsplanung ist ein wichtiger Bestandteil von "Six Sigma".
Die zweite Auflage wurde stark erweitert, um der stürmischen Entwicklung in den Bereichen Metamodelle und Optimierung Rechnung zu tragen. Inhaltlich übersteigt dies den Rahmen der klassischen Versuchsplanung, liefert dafür allerdings den nötigen Hintergrund, um komplexere Problemstellungen zu bearbeiten. Praktiker sehen sich zunehmend mit der Notwendigkeit konfrontiert, bereits zu Beginn einer Studie zwischen methodischen Ansätzen entscheiden zu müssen, die untereinander nur begrenzt kompatibel sind. Hier soll das Buch eine Entscheidungshilfe bieten.
Zum Inhalt:
Praxisnahe Einführung, mit Tipps und Beispielen aus der industriellen Anwendung.- Software-unabhängige und neutrale Darstellung mit 159 farbigen Abbildungen.- Konsistente Beschreibung der gesamten Methodik mit einem durchgängigen Anwendungsbeispiel.- Umfangreiche Erweiterungen und Überarbeitungen in den Bereichen Modellverfahren für komplexe Zusammenhänge und Optimierungsalgorithmen.- Unterstützung bei der Methodenauswahl durch Vergleiche und Darstellung der Grenzen einzelner Verfahren.
Die Autoren:
Alle Autoren arbeiten bei Ford, im Research & Innovation Center Aachen. Dr. Siebertz ist promovierter Ingenieur, mit Erfahrung in Biomechanik, Fahrzeugsicherheit und Simulation. Er arbeitet seit 1995 mit der statistischen Versuchsplanung, davon zwei Jahre hauptberuflich, als Schulungsleiter und Anwendungsberater. Dr. van Bebber ist promovierter Ingenieur mit Schwerpunkt Simulationsverfahren. Dr. Hochkirchen ist promovierter Mathematiker und Spezialist für Statistik. Dr. van Bebber und Dr. Hochkirchen sind Six Sigma Black Belts und haben mehrjährige praktische Erfahrung auf diesem Gebiet. Dr. Siebertz und Dr. van Bebber unterrichten seit 2005 statistische Versuchsplanung im Rahmen eines Masterstudienganges.
Band 1 des fünfbändigen Werkes behandelt das Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide. Zu den Themen Schneidkantenpräparation, Hartzerspanung, Werkzeugdynamik und Spannsysteme sind völlig neue Kapitel entstanden. Aktuelle Forschungsergebnisse mit Praxisbezug wurden in die Kapitel Grundlagen der Zerspanung, Kühlschmierstoffe, Standvermögen und Simulation integriert. Ansätze der Prozessmodellierung und der statistischen Versuchsmethodik erweitern das Kapitel zur Prozessauslegung und Prozessüberwachung in der 9. Auflage. Das Buch stellt die wesentlichen Verfahrensprinzipien dar und erklärt die zu Grunde liegenden Wirkzusammenhänge. Es basiert auf den Vorlesungen Fertigungstechnik I und II, die an der RWTH Aachen gehalten werden.
Die Zielgruppen
Ingenieure mit Interesse an moderner Produktionstechnik und Studenten der Fachrichtungen Maschinenbau, Produktionstechnik, Konstruktion und Produktentwicklung sowie Berufspraktiker
This study investigates combining longitudinal and torsional (L–T) vibration responses at the output face of a Langevin transducer. A mode degeneration method is adopted that converts the longitudinal response excited by the axially poled piezoceramic discs in the transducer into combined L–T vibration in the transducer front mass using geometric modifications of the wave path. The study uses three techniques; numerical, analytical, and experimental, in order to estimate and validate transducer electro-mechanical parameters for different geometric modifications, and also to evaluate transducer performance for different excitation levels in terms of the desired L–T response. A finite element (FE) analysis is used to optimise the mechanical structure of the transducer while the analytical model, which is based on an equivalent-circuit approach, is used to estimate the electrical impedance spectra and to confirm some of the FE calculations prior to fabrication. These models are then validated through an experimental characterization of the vibration response and impedance response and the results show that the operating frequency and torsionality can be tailored through modification of the transducer geometry.
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