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Forschungsberichte aus dem
wbk Institut für Produktionstechnik
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Hrsg.: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze
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Frederik Zanger
Segmentspanbildung, Werkzeugverschleiß,
Randschichtzustand und Bauteileigenschaften:
Numerische Analysen zur Optimierung des
Zerspanungsprozesses am Beispiel von Ti-6Al-4V
Band 169
BBBBBiiiiibbbbbllllliiiiiooooogggggrrrrraaaaafffffiiiiisssssccccchhhhheeeee IIIIInnnnnfffffooooorrrrrmmmmmaaaaatttttiiiiiooooonnnnn dddddeeeeerrrrr DDDDDeeeeeuuuuutttttsssssccccchhhhheeeeennnnn NNNNNaaaaatttttiiiiiooooonnnnnaaaaalllllbbbbbiiiiibbbbbllllliiiiiooooottttthhhhheeeeekkkkk
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.d-nb.de abrufbar.
Zugl.: Karlsruhe, Karlsruher Institut für Technologie, Diss., 2012
Copyright Shaker Verlag 2013
Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen
oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungs-
anlagen und der Übersetzung, vorbehalten.
Printed in Germany.
ISBN 978-3-8440-1645-1
ISSN 0724-4967
Shaker Verlag GmbH • Postfach 101818 • 52018 Aachen
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Internet: www.shaker.de • E-Mail: [email protected]
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Segmentspanbildung, Werkzeugverschleiß,
Randschichtzustand und Bauteileigenschaften:
Numerische Analysen zur Optimierung des
Zerspanungsprozesses am Beispiel von Ti-6Al-4V
Zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
der Fakultät für Maschinenbau
Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
genehmigte
Dissertation
von
Frederik Zanger
aus Kämpfelbach
Tag der mündlichen Prüfung: 02. November 2012
Hauptreferent: Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze
Korreferent: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Ekkard
Brinksmeier
Vorwort des Herausgebers
Die schnelle und effiziente Umsetzung innovativer Technologien wird vor dem
Hintergrund der Globalisierung der Wirtschaft der entscheidende
Wirtschaftsfaktor für produzierende Unternehmen. Universitäten können als
"Wertschöpfungspartner" einen wesentlichen Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit
der Industrie leisten, indem sie wissenschaftliche Grundlagen sowie neue
Methoden und Technologien erarbeiten und aktiv den Umsetzungsprozess in die
praktische Anwendung unterstützen.
Vor diesem Hintergrund soll im Rahmen dieser Schriftenreihe über aktuelle
Forschungsergebnisse des Instituts für Produktionstechnik (wbk) am Karlsruher
Institut für Technologie (KIT) berichtet werden. Unsere Forschungsarbeiten
beschäftigen sich sowohl mit der Leistungssteigerung von Fertigungsverfahren
und zugehörigen Werkzeugmaschinen- und Handhabungstechnologien als auch
mit der ganzheitlichen Betrachtung und Optimierung des gesamten
Produktionssystems. Hierbei werden jeweils technologische wie auch
organisatorische Aspekte betrachtet.
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
Prof. Dr.-Ing. Gisela Lanza
Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze
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Vorwort des Verfassers
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als akademischer
Mitarbeiter in der Gruppe Fertigungs- und Werkstofftechnik am wbk - Institut für
Produktionstechnik des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT).
Bei Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze bedanke ich mich für die hervorragende
wissenschaftliche Betreuung der Arbeit, die jederzeit konstruktive Unterstützung
und das mir entgegengebrachte Vertrauen während meiner Promotionszeit. Für
die Übernahme des Korreferates und die damit verbundene konstruktive Kritik
danke ich Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Ekkard Brinksmeier.
Bei der gesamten Belegschaft des Instituts bedanke ich mich für die angenehme
Arbeitsatmosphäre und die tolle Infrastruktur, die von euch aufrechterhalten und
stetig ausgebaut wird. Bei der Technikermannschaft bedanke ich mich für die
Unterstützung bei (mess-)technischen Problemen rund um die Versuchsstände.
Im Besonderen danke ich Thomas Hildenbrand, Ralf Dorsner und Klaus Simon
für die Betreuung meiner Versuchsstände, sowie Margit Scheidt für die Ausdauer
bei den zahlreichen Abaqus-Installationen.
Meinen studentischen Hilfskräften, Studien- und Diplomarbeitern Jens Rißmann,
Viktor Müller, Ali Moghaddam Nejad und Benjamin Geibel danke ich für ihre
herausragende Arbeit, die meine Dissertation in dieser Form ermöglichten.
Herrn Dr.-Ing. Chris Becke danke ich für die besonders gründliche und zügige
Erstkorrektur, die zahlreichen Hinweise und das eindrucksvolle Auffinden
sämtlicher doppelter Leerzeichen. Es hat mir stets viel Freude bereitet mit Dir
zusammenarbeiten zu können. Ein weiterer Dank für gründliches und zügiges
Korrekturlesen der vollständigen Arbeit und die damit verbundenen hilfreichen
Korrekturen geht an Herrn Dr.-Ing. Rüdiger Pabst, dem ich außerdem besonders
für seinen kollegialen und menschlichen Führungsstil als Oberingenieur danke.
Meinem Bruder Florian danke ich für die zahlreichen mathematisch geprägten
Unterhaltungen, die mir bereits während meines Studiums sehr geholfen haben.
Ganz besonders Danke ich meinen Eltern für die lebenslange Unterstützung und
den Rückhalt, den ihr mir bei jeder Entscheidung gebt. Außerdem danke ich
euch und meinen Schwiegereltern für die liebevollen Kinderbetreuungen.
Liebe besteht nicht darin, dass man einander ansieht, sondern dass man
gemeinsam in die gleiche Richtung blickt. Antoine de Saint-Exupéry
Liebe Caroline, Malena und Laureen, vielen Dank, dass ihr so ausdauernd und
geduldig gemeinsam mit mir in die gleiche Richtung geblickt habt. Ab sofort
können wir unseren Blick auf Neues richten.
Karlsruhe, November 2012
Abstract
The increasing relevance of resource and energy efficiency leads to higher
demands regarding component durability, especially for highly stressed
components like compressor wheels. These components are often made of
lightweight materials such as metal matrix composites or titanium alloys. The
titanium alloy Ti-6Al-4V is used very often because of its excellent mechanical
and thermal properties. However, when machining components made of
Ti-6Al-4V, their high tensile strength in combination with a low Young’s modulus
and a low thermal conductivity leads to high thermal and mechanical stresses in
the used tools, which in turn lead to a particularly fast tool wear. Generally tool
wear is characterized by a loss of the ideal tool geometry, which in return
influences the process conditions. Changed process conditions have an impact
on the achievable component surfaces by means of the macroscopically visible
roughness as well as microscopic defects of the surface layer. This impact on the
condition leads to a change in the component’s durability in highly stressed
components. Tool wear as well as the resulting component conditions and
properties after machining are influenced by the process parameters and the tool
geometry.
Knowledge about the continuously proceeding tool wear and a component’s
quality influenced by it enables us to optimize the process conditions. In order to
achieve this, simulation models are presented in this work which, based on
machining simulations, tool wear simulation and the resulting component
conditions and properties, offer the possibility of optimizing the processes in a
comprehensive way. Along with a process characterization, a validation of the
simulation models is conducted by means of extensive studies in machining
technologies. The concluding process optimization shows that an excellent
combination of tool life and achievable component properties can be obtained by
a selective way of choosing the process parameters.
Description:Prof. Dr.-Ing. habil. Volker Schulze. Frederik Zanger. Segmentspanbildung, Werkzeugverschleiß,. Randschichtzustand und Bauteileigenschaften: Numerische Analysen zur Stand der Forschung und Technik. Den Ansatz von Holm griffen Burwell und Strang auf und empfahlen anstelle der atomaren
