Bohren und Zirkularfräsen von Schichtverbunden aus Aluminium, CFK und Titanlegierungen

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1 Bohren und Zirkularfräsen von Schichtverbunden aus Aluminium, CFK und Titanlegierungen Dem Fachbereich Produktionstechnik der UNIVERSITÄT BREMEN zur Erlangung des Grades eines Doktor-Ingenieur vorgelegte Dissertation von Dipl.-Ing. Rolf Janssen 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil. E. Brinksmeier, Universität Bremen 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. U. Berger, Technische Universität Cottbus Tag der mündlichen Prüfung: 28. April 2003

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3 Forschungsberichte aus der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen Band 20 Rolf Janssen Bohren und Zirkularfräsen von Schichtverbunden aus Aluminium, CFK und Titanlegierungen. D 46 (Diss. Universität Bremen) Shaker Verlag Aachen 2003

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Janssen, Rolf: Bohren und Zirkularfräsen von Schichtverbunden aus Aluminium, CFK und Titanlegierungen / Rolf Janssen. Aachen : Shaker, 2003 (Forschungsberichte aus der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen ; Bd. 20) Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2003 ISBN Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Danksagung Die vorliegende Dissertationsschrift entstand neben meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) an der Universität Bremen. Dem Leiter der Hauptabteilung Fertigungstechnik des IWT, Herrn Prof.Dr.-Ing. habil. E. Brinksmeier, gilt mein besonderer Dank für die Betreuung und die Unterstützung während meiner Arbeit sowie für die fachliche Beratung bei der Erstellung meiner Dissertationsschrift. Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Berger, Technische Universität Cottbus, danke ich für die Übernahme des Zweitgutachtens und die kritische Durchsicht des Manuskripts sehr herzlich. Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Kuhfuß, Herrn Dr.-Ing. A. Walter, Herrn Dipl.-Ing. F. Krogmeier und Herrn cand.-ing. N. Bleil danke ich für die Übernahme der Aufgaben im Prüfungsausschuss. Die kritische Durchsicht des Manuskriptes übernahmen dankenswerterweise Herr Dr.-Ing. A. Walter und Herr Dr.-Ing. J. Eckebrecht. In diesem Zusammenhang sei allen Kolleginnen und Kollegen des IWT gedankt. Herrn Dr.-Ing. A. Walter danke ich für die kollegiale und tatkräftige Unterstützung während meiner Tätigkeit am IWT und danach. Er war von Beginn bis zur Fertigstellung dieser Arbeit stets ein kompetenter und freundschaftlicher Ansprechpartner. Ohne ihn wäre die Erstellung dieser Dissertationsschrift nicht möglich gewesen. Ganz besonders danken möchte ich ebenfalls den technischen Mitarbeitern Herrn Dipl.-Ing. (FH) E. Berthold, Herrn A. Haghgoo und Herrn W. Wiesner für die Unterstützung bei der Versuchsvorbereitung und Versuchsdurchführung. Weiterhin bedanke ich mich recht herzlich bei Dipl.-Ing. F. Krogmeier für sein großes Engagement, das er sowohl während seiner Tätigkeit als wissenschaftliche Hilfskraft als auch im Rahmen seiner Studien- und Diplomarbeit sowie anschließend als wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWT gezeigt hat. Herr Dipl.- Ing. K. Renzelmann, Herr cand.ing. (FH) M. Jagels und Frau Dipl.-Ing. I. Petrek haben mich bei meinen Arbeiten ebenfalls wesentlich unterstützt. Die in der vorliegenden Arbeit behandelten Ergebnisse basieren auf Forschungsaktivitäten, die von der AIRBUS Deutschland GmbH und vom Land Bremen gefördert wurden. Den genannten Förderern gilt hierfür mein aufrichtiger Dank. Stellvertretend für die Airbus Deutschland GmbH danke ich Herrn Dipl.-Ing. W. Brunkhorst für die fachliche Unterstützung und Begleitung der Forschungsprojekte. Ein weiterer Dank geht an Herrn Dipl.Ing. M. Schmid von der Fa. Klenk GmbH für die Bereitstellung der Versuchswerkzeuge und die fachliche Unterstützung. Schließlich hat auch mein privates Umfeld erheblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen. Dafür bedanke ich mich bei meinen Eltern und bei Natascha Gostek für ihre Unterstützung für ihr Verständnis.

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7 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 0 Formelzeichen und Abkürzungen Einleitung und Problemstellung Stand der wissenschaftlichen Erkenntnisse Bearbeitung von Titanlegierungen Werkstofftechnische Grundlagen Zerspanung von Titanlegierungen Bearbeitung von Aluminiumlegierungen Werkstofftechnische Grundlagen Zerspanung von Aluminiumlegierungen Bearbeitung von CFK-Werkstoffen Werkstofftechnische Grundlagen Zerspanung von CFK-Werkstoffen Bearbeitung von Schichtverbunden Forschungsbedarf, Zielsetzung und Vorgehensweise Versuchsumfeld Versuchseinrichtung Maschine und Vorrichtungen Versuchswerkstoffe und Werkstücke Eigenschaften der Aluminiumlegierung AlCuMg Eigenschaften der Titanlegierung TiAl6V Eigenschaften der eingesetzten CFK-Werkstoffe Untersuchte Schichtverbunde Versuchswerkzeuge Verwendete Bohrwerkzeuge Verwendete Fräswerkzeuge zum Zirkularfräsen Eingesetze Werkzeugaufnahmen Kühlschmierung Versuchsparameter und Versuchsmatrix Mess- und Analysemethoden Verschleißmessungen Kraftmessungen / Drehmomentmessung Messung der Bohrungsdurchmesser I -

8 Inhaltsverzeichnis Messung der Oberflächengüte Rasterelektronenmikroskopie (REM) und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) Metallographie Temperaturmessung Bohrungsbearbeitung von Schichtverbunden Prozessanalyse zum Bohren von Schichtverbunden Werkzeugverschleiß beim Bohren von Aluminium-CFK-Titan- Schichtverbunden Bohrungsqualität und Randzone beim Bohren von Aluminium-CFK-Titan- Schichtverbunden Ergänzende Untersuchungen zum Aufbohren von CFK-Aluminium- Schichtverbunden Bewertung der Ergebnisse und Ableitung wesentlicher Maßnahmen für die Prozessoptimierung Untersuchungen mit optimierter Prozessführung beim Bohren von Schichtverbunden Maßnahmen zur Optimierung von Bohrwerkzeugen zur Bearbeitung von Schichtverbunden Auswirkungen optimierter Werkzeuge auf das Arbeitsergebnis und das Verschleißverhalten beim Bohren von Al-CFK-Ti-Schichtverbunden Auswirkungen der Werkzeugoptimierung auf das Verschleißverhalten und das Bearbeitungsergebnis beim Aufbohren von CFK-Aluminium- Schichtverbunden Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse zum Bohren von Schichtverbunden Zirkularfräsen von Schichtverbunden Einfluss der Prozessführung auf die Bohrungsqualität Werkzeugverschleiß beim Zirkularfräsen von Schichtverbunden Analyse und Bewertung der Ergebnisse Zusammenfassende Diskussion der Ergebnisse Zusammenfassung und Ausblick Literatur II -