Abstract:

Stahlverstärkte Aluminium- und Magnesiumlegierungen werden aufgrund ihrer günstigen Eigenschaften und dem mittlerweile erreichten Entwicklungsstand der Herstellungsverfahren für eine industrielle Anwendung immer interessanter. Gleichzeitig bieten sie jedoch neue Herausforderungen für die spanende Fertigung. Nach den bisher gewonnenen Kenntnissen, bei der Bohrungsbearbeitung von Leichtmetallverbundwerkstoffe stellt das Fertigungsverfahren Zirkularfräsen ins Volle eine Alternative zum Bohren dar. Diese Arbeit besteht aus drei unterschieden Arbeitspakete. In erstem Arbeitspaket wurde die spanende Bearbeitung stahlverstärkter und unverstärkter Magnesiumprofile durch das Zirkularfräsen eingehend untersucht. Untersuchungsschwerpunkte lagen in der Analyse der mechanischen und thermischen Bauteilbelastung, der erzeugten Bohrungsqualität in Bezug auf Durchmesserabweichung, Rundheit, Gratbildung und Oberflächequalität der Bohrungswand. Die Bewertung der mechanischen Belastung zeigt, dass die Position der Verstärkungselemente eine entscheidende Rolle für die Maximalwerte der Kraftkomponenten und die Form der Kraftmessschriebe spielt. Eine steigende Schnittgeschwindigkeit übt keinen signifikanten Einfluss auf die Höhe der Bauteilbelastung aus. Dagegen kommt es bei der Erhöhung des Vorschubes oder der Zustellung zu einer deutlichen Steigerung der Zerspankraft. Im Vergleich zur homogenen Magnesiumlegierung AZ 31 bewirken Verstärkungselemente aus Federstahl deutlich größere mechanische Belastungen der Werkzeugschneiden und dies führt rasch zum Versagen der Werkzeuge. Aufgrund geringerer mechanischer Bauteilbeanspruchung beim Zirkularfräsen gibt es keine signifikanten Auswirkungen auf die Bearbeitungsgüte. Bezüglich der Bohrungsqualität werden bei der Bearbeitung von stahlverstärkten und unverstärkten Magnesiumprofilen gute Ergebnisse erzielt. Die Durchmesser können jedoch sowohl Untermaß, als auch Übermaß aufweisen. Der Durchmesserabweichung ΔD liegt ca. zwischen Untermaß -40 μm und Übermaß 20 μm. Der Grundtoleranzgrad der Bohrungen dieser Arbeit ist IT 9. Einen entschiedenen Einfluss darauf haben die Schnittdaten, die Temperatur des Werkstückes und Verschleißverhalten des Werkzeuges. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf der Rundheitsabweichung der Bohrung mit dem Werkzeug vom Durchmesser von d = 8 mm ist deutlich zu erkennen. Die maximale Rundheitsabweichung beträgt ca. 50 μm. In der Untersuchung wurden die Durchmesserabweichung und Rundheitsabweichung in drei verschiedenen Tiefen gemessen. Entlang der Vorschubrichtung werden das Untermaß vom Durchmesser und die Rundheit der Bohrung größer. Die gemittelte Rautiefe Rz ist abhängig von Schnittdaten vom Zirkularfräsen. Mit kleineren Schnittwerten tritt die bessere Oberflächequalität der Bohrungswand auf. Mit der Erhöhung der Schnittparameter nimmt die gemittelte Rautiefe zu bis max. Rz = 14 μm. Die Wellentiefe ist stark abhängig von der Schnittgeschwindigkeit und beträgt max. Wt = 24 μm. Der Einfluss der Verstärkungselemente ist auf die Oberflächequalität nicht deutlich zu erkennen. Mit dem Fräswerkzeug vom Durchmesser d = 12 mm wird die Oberflächequalität verbessert aufgrund der vergrößerten Steifigkeit. In diesen Fall beträgt die maximale gemittelte Rautiefe Rz = 8 μm und Wellentiefe Wt = 7 μm. Aufgrund der guten Zerspanbarkeit der unverstärkten Magnesiumprofile ist die Gratbildung der Bohrungsaustritte unabhängig von den Schnittdaten. Dagegen nimmt die Höhe der Gratbildung bei stahlverstärkten Magnesiumprofilen mit vergrößerten Schnittparametern zu. Der harte Federstahl führt rasch zum Verschleiß am Fräswerkzeug. Mit erhöhtem Verschleiß werden Bohrungen mit höherer Gratbildung erzeugt. Durch die thermografischen Untersuchung ist die Temperatur von Werkstück zu erkennen. Mit größeren Schnittdaten beträgt die maximale Temperatur der Wirkzone ca. Tmax = 300 °C. Dagegen erzeugt aber die Fertigung mit kleineren Schnittwerten mehr Bearbeitungswärme. Dies ist als Hauptursache für die Durchmesserabweichung zu vermuten. Der Schwerpunkt der Gratminimierung und -entfernung an Aluminiumhohlprofilen stellt dar, dass die Grate sowohl durch die Auswahl angepasster Schnittwerte als auch durch den Einsatz mikroabrasiver Bürsten minimiert werden können. Die Gratbildung ist nicht abhängig von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, sondern abhängig von der Zustellung. Mit dem Reduzieren der Zustellung ist die Höhe der Grate deutlich zu minimieren. Die Höhe der Grate mit der Zustellung ap = 0,1 mm beträgt ca. 150 μm. Der Nachteil ist die mit dem Reduzieren der Zustellung verlängerte Hauptzeit. Durch die Anwendung mikroabrasiver Bürsten zum Zirkularfräsen-Entgraten kann dieser Nachteil vermieden werden und die Höhe der Grate weiter bis ca. 20 - 30 μm reduziert werden. Die Ergebnisse der Untersuchung zeigen, hat die Bürste mit der 120er SiC- Körnung die beste Arbeitsfähigkeit der untersuchten Werkzeuge. Generell können die Grate mit kleiner Zustellung der Bürste und größerem Radius der Bürstenhelixbahn besser entfernt werden. Im dritten Arbeitspaket werden zwei unterschiedliche Versuchsaufbauen zur Spanentfernung bei der Hohlprofilbearbeitung gegenübergestellt und bewertet. Davon wurde eine geeignete Methode für Hohlprofile ausgewählt und die Machbarkeit experimentell verifiziert. Mit dieser Vorrichtung können die im Hohlprofil verbliebenen Späne im Prozess fast vollständig entferntwerden. Die im Rahmen der vorliegenden Arbeit gewonnen Erkenntnisse zeigen weiteres Forschungspotential. Zuerst spielt die Minimierung der Werkzeugschwingung bei höherer Schnittgeschwindigkeit eine wichtige Rolle besonders für Fräswerkzeug mit kleinerem Durchmesser, um die Fertigungsgüte von Magnesiumprofilen zu verbessern. Außerdem sollten in Bezug auf die Gratentfernung Bürsten mit variierter Gestalt untersucht werden, um Grate auch am Bohrungsgrund entfernen zu können.