2023-06-252023-06-25https://tore.tuhh.de/handle/11420/16363Eine zentrale Rolle im Leichtbau nehmen faserverstärkte Kunststoffe ein. Aufgrund der Orthotropie dieser Werkstoffe unterscheiden sich die Trennmechanismen bei der Zerspanung maßgeblich von denen isotroper Werkstoffe. Bisher wurden die grundlegenden Mechanismen mit definierter Schneide fast ausschließlich im Orthogonalschnitt untersucht. In der industriellen Praxis liegen dagegen in der Regel schräge Schnittbedingungen vor, aus denen ein dreidimensionaler Trennvorgang unter den räumlichen Eingriffsbedingungen der Werkzeugschneiden resultiert. Die räumlichen Eingriffsbedingungen ergeben sich hierbei durch eine Kombination aus räumlicher Lage der Schneide und Schnittrichtung bzgl. der Faser. Eigene Vorarbeiten zeigen einen starken Einfluss der räumlichen Schneide-Faser-Lage auf die Zerspankräfte und die sich ausbildende Schnittoberfläche, welche das Funktionsverhalten hochbelasteter Leichtbaustrukturen beeinflussen kann. Als besonders kritisch erweist sich für die Qualität der gefertigten Oberfläche das sogenannte Einhaken der Schneide in das Material. Ziel des Projekts ist ein Zerspankraft- und Oberflächenmodell für die Bearbeitung von faserverstärkten Kunststoffen unter besonderer Berücksichtigung des schrägen Schnitts. Der Vorhersage der Zerspankraft liegt ein semi-empirisches Modell zu Grunde, welches verfahrensunabhängig gültig ist und auf das Fräsen übertragen wird. Im Rahmen einer Projektfortsetzung wird darüber hinaus eine Übertragung auf das Aufbohren und Senken angestrebt. Neuartige Versuchsaufbauten ermöglichen erstmalig die effiziente und damit umfassende Identifikation von Zerspankraftkoeffizienten auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten unter beliebiger Schneide-Faser-Lage und räumlicher Schnittrichtung, die auch außerhalb der Laminatebene liegen kann. Das Oberflächenmodell wird aus der Korrelation der räumlichen Belastungssituation und der gemessenen Oberflächenbeschaffenheit entwickelt und ermöglicht die Vorhersage von für die Oberflächenqualität kritischen Trennsituationen, speziell das Einhaken. Die drehwinkelaufgelöste Zerspankraft- und Oberflächensimulation erlaubt Rückschlüsse auf verfahrensspezifische Mechanismen bedingt durch die räumlichen Eingriffsbedingungen, die bisher durch die auf den Orthogonalschnitt beschränkte Betrachtung nicht möglich waren. Im Gegensatz zur rein mechanistischen Kraftmodellierung über die Kalibrierung durch Bohr- oder Fräsversuche ist durch das zu entwickelnde semi-empirische Modell die Lastverteilung entlang der Schneide bekannt. Dies ermöglicht die Analyse von Phänomenen die nur einen Teil der Schneide betreffen und zeigt Optimierungspotentiale insbesondere in Bezug auf die Qualität der Schnittoberfläche auf.Fiber reinforced polymers are often used in lightweight design. Due to the orthotropic material properties, the cutting mechanisms during chip removal differ significantly from those of isotropic materials. So far, the fundamental mechanisms have been investigated primarily for orthogonal cutting. However, oblique cutting is generally present in industrial practice, in which a three-dimensional cutting process occurs due to the spatial engagement conditions of the tool’s cutting edges. The spatial engagement conditions result from a combination of the 3D spatial orientation of the cutting edge and the cutting direction with respect to the fiber.Preliminary studies reveal a significant influence of the 3D spatial cutter-fiber-orientation on the cutting forces and the resulting cutting surface. The surface integrity can affect the mechanical behavior of lightweight structures under static and dynamic loads. In particular, occurring fiber pull-out is critical for the surface integrity. The objective of the project is a cutting force and surface model for the machining of fiber reinforced polymers with particular consideration of oblique cutting. The prediction of cutting forces is based on a semi-empirical model, which has a process-independent validity. The model will be transferred to milling. Furthermore a transfer to drilling out and countersinking is envisaged in a second project phase. Innovative experimental setups enable efficient and comprehensive identification of cutting force coefficients for the first time, also under high cutting speed as well as arbitrary orientation of the cutter and cutting direction relative to the fiber. The surface model is developed from the correlation between the spatial load situation and the measured surface condition. It allows the prediction of critical cutting conditions with respect to surface quality, in particular fiber pull-out. The rotation-angle-dependent simulation of the process forces and the cutting surfaces allows conclusions to be drawn about the process-specific mechanisms in terms of 3D spatial engagement conditions, which has not been possible up to now because of the focus on orthogonal cutting. Compared to the mere mechanistic force modelling by calibration in a drilling or milling process, the semi-empirical model shows the load distribution along the cutting edge. This enables the analysis of phenomena which are only affecting a small region of the cutter and shows optimization potential in terms of surface quality.