Grundlagenuntersuchungen und simulationsbasierte Optimierung zur fünfachsigen Mikrofräsbearbeitung von NiTi-Formgedächtnislegierungen

Kahleyß, F.

NiTi-Legierungen stellen auf Grund ihrer einzigartigen Eigenschaften den größten Teil der heutzutage eingesetzten Formgedächtnismaterialien. Zu den besonderen Merkmalen dieser funktionalen Werkstoffgruppe gehören neben dem namensgebenden Formgedächtniseffekt auch die sogenannte Superelastizität, eine sehr gute Biokompatibilität sowie günstige Dämpfungseigenschaften. Hieraus ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten von NiTi-Bauteilen in der Aktorik, der Verbindungstechnik und in der Medizintechnik. Den günstigen Anwendungseigenschaften von NiTi-Legierungen stehen aber große Herausforderungen bei der spanenden Bearbeitung gegenüber. Diese werden insbesondere durch die starke Kaltverfestigung und die große Adhäsionsneigung des Werkstoffs verursacht und resultieren bei unangepassten Fertigungsprozessen in einem großen Werkzeugverschleiß sowie mangelhafter Bauteilqualität. Für die fünfachsige Mikrofräsbearbeitung mikrostrukturierter Bauteile aus NiTi, wie sie z. B. in der Medizintechnik eingesetzt werden, liegen bislang keine wissenschaftlichen Erkenntnisse vor.

In der vorliegenden Dissertation werden daher Grundlagen zum Einsatzverhalten von Kugelkopffräswerkzeugen bei der Bearbeitung verschiedener NiTi-Legierungen erarbeitet. Hierbei werden neben einer Betrachtung des Einflusses der Schnittdaten auch die Auswirkungen unterschiedlicher Werkzeugkonzepte und der Werkzeuganstellwinkel analysiert. Ausgehend von Werkzeugen mit einem Durchmesser von 1 mm werden die Prozesse auch für Kugelkopffräswerkzeuge mit einem Durchmesser von 0,4 mm angepasst. Ein weiterer Schwerpunkt liegt im zweiten Teil der Arbeit auf der Entwicklung eines Simulationsalgorithmus, der auf den in den Grundlagenuntersuchungen gewonnenen Erkenntnissen aufbauend ungünstige Werkzeuganstellungen erkennen und durch die Manipulation der NC-Programme optimieren kann. Die Verifikation der Wirksamkeit der Simulation erfolgt durch die angepasste fünfachsige Fertigung eines Musterbauteils.

Die Versuchsergebnisse der Grundlagenuntersuchungen zeigen, dass eine günstige fünfachsige Fräsbearbeitung von NiTi nur möglich ist, wenn ein enges Schnittdatenfenster eingehalten wird. Auch die Werkzeuganstellung ist von großer Bedeutung für das Bearbeitungsergebnis. So sollte grundsätzlich eine Gleichlauffrässtrategie mit großen Kippwinkeln des Werkzeugs in Vorschubrichtung eingesetzt werden, um eine günstige Spanabnahme und einen geringen Werkzeugverschleiß sicherzustellen. Auf diese Weise lassen sich Zerspanvolumen von bis zu Vz = 55 mm³ erreichen. Bei der Reduzierung des Werkzeugdurchmessers ist zu beachten, dass der maximale Spanungsquerschnitt nicht unter Werte fallen sollte, die der Schneidkantenverrundung der Werkzeuge entsprechen. Hierbei kommt es zu Materialverfestigungen, die die spezifischen Schnittkräfte stark ansteigen lassen. Die Übertragung der experimentellen Ergebnisse auf ein Simulationsmodell zur Optimierung der Werkzeugwinkel ist möglich. Die Überprüfung des Algorithmus im Versuch zeigt, dass die Anpassung eines dreiachsigen in ein simultan fünfachsiges NC-Programm zu einer deutlichen Verbesserung der Oberflächenqualität und der Form- und Maßgenauigkeit des Musterbauteils führt.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2010, ISBN 978-3-8027-8753-9