Modellierung und Vorhersage des eigenspannungsbedingten Bauteilverzugs bei der Fräsbearbeitung

Eigenspannungsbedingter Bauteilverzug stellt eine große Herausforderung bei der Fräsbearbeitung dünnwandiger, integraler Bauteile, beispielsweise für die Luft- und Raumfahrtindustrie dar. Dieser Verzug führt häufig zu großen Form- und Lageabweichungen außerhalb der Toleranzanforderungen des Bauteils. In der Folge sind zeit- und kostenintensive Einfahrprozesse oder manuelle Nacharbeit der Bauteile notwendig. Um zukünftig Bauteilverzug als Kostentreiber zu reduzieren, ist es zum einen von entscheidender Bedeutung die verschiedenen Mechanismen der Eigenspannungsentstehung zu verstehen. Zum anderen müssen diese Erkenntnisse in Modelle überführt werden, mit deren Hilfe eine modellbasierte Vorhersage von Bauteilverzug durchgeführt werden kann. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit die Entwicklung einer modellbasierten Vorhersage des eigenspannungsbedingten Bauteilverzugs bei der Fräsbearbeitung von dünnwandigen Bauteilen aus Ti-6Al-4V mit der Finite Cell Method (FCM). Dazu erfolgte eine experimentelle Einflussanalyse von initialen und induzierten Eigenspannungen auf den Verzug. Für die Untersuchungen wurden frei auskragende, dünnwandige Platten mit Sockel aus Rohteilen in drei verschiedenen Wärmebehandlungszuständen, unter Variation des Zahnvorschubs, gefräst. Es konnte ein deutlicher Einfluss der Wärmebehandlung auf die Beträge und Richtungen der Verzüge ermittelt werden. Demgegenüber zeigte die Variation des Zahnvorschubs keinen signifikanten Einfluss auf den Verzug. Im nächsten Schritt wurde ein numerisches Modell auf Basis der FCM zur Vorhersage von eigenspanungsbedingtem Bauteilverzug während der Fräsbearbeitung entwickelt. Das Modell berücksichtigt unter anderem die initialen und induzierten Eigenspannungen sowie die zeitlich-örtliche Materialzerspanung. Die Validierung erfolgte anhand der experimentellen Ergebnisse und es konnten für einige Versuchsgruppen gute Übereinstimmungen, für andere Versuchsgruppen wiederum schlechte Übereinstimmungen zwischen simulativen und experimentellen Ergebnissen ermittelt werden. Abschließend fand die Anwendung des Vorhersagemodells in der Fräsbearbeitung eines komplexen Strukturbauteils statt. Hierzu wurde sowohl die Fräsbearbeitung mit einem konventionellen als auch mit einem modularen Spannsystem untersucht. Der Vergleich zwischen experimentellen und simulativen Ergebnissen zeigte, dass das Modell grundsätzlich geeignet ist, die Reduzierung des Verzugs durch Verwendung des modularen Spannsystems vorherzusagen.

Part distortion caused by residual stresses is a major challenge in the production of thin-walled monolithic structural components, for example for the aerospace industry. These distortions may cause deviations in form and position of the workpiece resulting in the failure of meeting the necessary tolerance requirements. As a consequence, time-consuming and cost-intensive running-in processes or manual reworking are necessary to meet these requirements. In order to reduce part distortion as a cost driver in the future, it is crucial to understand the different mechanisms of residual stress generation. Furthermore, this knowledge must be transferred into models, which can be used for a model-based prediction of part distortion. Against this background, the main objective of this work was to develop a model-based prediction of part distortion caused by residual stresses during milling of thin-walled components made of Ti-6Al-4V using the Finite Cell Method (FCM). For this purpose, an experimental influence analysis of initial and induced residual stresses on distortion was conducted. For the investigations, freely cantilevered, thin-walled plates with bases were milled from blanks in three different heat treatment states, with variation of the feed per tooth. A clear influence of the heat treatment on the amounts and directions of the distortions could be determined. In contrast, the variation of the feed per tooth showed no significant influence on the distortion. In the next step, a numerical model based on the FCM was developed to predict part distortion caused by residual stresses during milling. The model considers the initial and induced residual stresses as well as the temporal-local material removal. The validation was carried out based on the experimental results and good agreements between simulated and experimental results could be determined for some experimental groups, and in turn poor agreements for other experimental groups. Finally, the prediction model was applied to the milling of a complex structural component. For this purpose, the milling process was investigated using a conventional and a modular clamping system. The comparison between experimental and simulated results showed that the model is basically suitable to predict the reduction of distortion by using the modular clamping system.