Institut für Spanende Fertigung

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    Technologische Analyse des Ejektortiefbohrens zur Entwicklung strömungsoptimierter Werkzeuge
    (2024) Gerken, Julian Frederic; Biermann, Dirk; Eberhard, Peter
    Bedingt durch die stark steigenden Energiekosten nimmt die Effizienzsteigerung und Optimierung von Werkzeugen in der spanenden Fertigung eine immer wichtigere Rolle ein. Dabei bietet das Ejektortiefbohren insbesondere im Hinblick auf den energieintensiven Bereich der Kühlschmierstoffversorgung für industrielle Anwendungen enormes Optimierungspotenzial, hochpräzise Tiefbohrprozesse mit hohen Zerspanleistungen und sehr guten Oberflächengüten auf konventionellen Bearbeitungszentren zu realisieren und ressourceneffizient zu nutzen. Aufgrund des ungenügenden Grundlagenwissens zu den physikalischen Vorgängen und Wirkmechanismen beim Ejektortiefbohren wird der aktuelle Einsatz oft unter suboptimalen Prozessparametern durchgeführt, wodurch erhöhte Prozesskosten mit unnötig hohen Energieaufwendungen resultieren. Um die Wissenslücke in diesem Bereich zu schließen, wird in der vorliegenden wissenschaftlichen Arbeit ein Grundlagenverständnis zu den physikalischen Wirkzusammenhängen beim Ejektortiefbohren erarbeitet und als Basis für die Entwicklung strömungsoptimierter Werkzeuge herangezogen. Dazu wird ein innovativer Versuchsstand zur prozesssimultanen Erfassung der Prozessdaten mit kombinierter In-Prozess-Sensorik entwickelt, in Betrieb genommen und der Einfluss der Schnittparameter sowie des Kühlschmierstoffvolumenstroms im Hinblick auf die Kühlschmierstoff-Druckverteilung im Werkzeugsystem analysiert. Das weitere Vorgehen beinhaltet die Charakterisierung der im Bohrprozess auftretenden Werkzeugbelastungen und Temperaturen unter Variation der Prozessparameter, die als Eingangs- und Validierungsdaten für nachfolgende Struktur- und Strömungssimulation verwendet werden. Um ein tiefgreifendes Prozessverständnis über die Strömungsverhältnisse und Spanbildungsmechanismen zu erlangen, werden Hochgeschwindigkeitsaufnahmen im laufenden Tiefbohrprozess angefertigt, die, in Kombination mit einem Werkzeugsystem aus Polycarbonat und einer mit Polyamidpartikeln angereicherten Kühlschmierstoff-Strömung, eine wirkstellennahe Analyse der Spanbildung und der Strömungscharakteristika am Werkzeugsystem ermöglichen. Auf Grundlage der geschaffenen empirischen Datenbasis werden optimierte Ejektorbohrkopfmodifikationen konstruktiv ausgearbeitet und im Hinblick auf ihre statische Belastbarkeit einer statischen Belastungsanalyse unterzogen, sodass Spannungsspitzen an hochbelasteten Bereichen in der Konstruktion identifiziert und konstruktiv überarbeitet werden können. Um eine Bewertung der Modifikationsmaßnahmen im Hinblick auf die resultierende Kühlschmierstoffströmung ohne aufwendigen Prototypenbau zu realisieren, werden SPH Strömungssimulationen mit den CAD Modellen angefertigt und hinsichtlich ihrer Strömungscharakteristika analysiert. Basierend auf diesen Kenntnissen werden zwei Prototypenversionen additiv durch das selektive Laserstrahlschmelzen im Pulverbettverfahren hergestellt und in ersten Referenzversuchen eingesetzt. Die entwickelten Werkzeuge zeigen im Vergleich zum Standardwerkzeug eine effizientere Kühlschmierstoffversorgung der Führungsleisten und Werkzeugschneiden sowie einen signifikant verbesserten Abtransport der Späne aus der Wirkzone. Der notwendige Kühlschmierstoff Volumenstrom konnte um bis zu 42 % reduziert werden. Die entwickelten Werkzeuge leisten somit einen großen Beitrag zur Realisierung ressourceneffizienter Ejektortiefbohrprozesse.
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    Untersuchung zum Einfluss des thermomechanischen Belastungskollektivs auf die Oberflächenkonditionierung beim BTA-Tiefbohrprozess
    (2024) Schmidt, Robert; Biermann, Dirk; Möhring, Hans-Christian
    Die moderne Produktionstechnik strebt ökonomische Effizienz und Nachhaltigkeit an, ohne die Qualität der gefertigten Bauteile zu beeinträchtigen. Die Auswahl und Anpassung von Fertigungsprozessen und die damit einhergehende Erzeugung relevanter Randschichteigenschaften ist entscheidend. Der BTA-Tiefbohrprozess ist ein produktives Verfahren zur Fertigung tiefer Bohrungen mit großen Durchmessern. Das BTA-Tiefbohren ist ein wichtiger Bearbeitungsschritt für die Fertigung hochbelasteter und sicherheitsrelevanter Bauteile wie z.B. Flugzeuglandebeine, Kurbelwellen und Schwerstangen in der Offshore-Industrie. Nach dem Bohrprozess kommt es häufig zu einer Nachbearbeitung der Bohrungsoberfläche, ohne dass der initiale Randschichtzustand bekannt ist. Eine optimierte Bohrprozessauslegung kann die Produktionskette an dieser Stelle verkürzen. In dieser Arbeit wird die Oberflächenkonditionierung durch den BTA-Tiefbohrprozess in einem Vergütungsstahl und einer nichtrostenden austenitischen Stahllegierung untersucht. Zur Separierung der Konditionierungsmechanismen an den Wirkelementen des BTA-Werkzeugs wurde ein Analogieversuch entwickelt. Während der BTA-Experimente wurden sowohl werkzeug- als auch werkstückseitige Messmethoden eingesetzt, um das thermomechanische Belastungskollektiv zu erfassen. In Verbindung mit zerstörenden und nicht zerstörenden Messungen der Bohrungsrandzonen wurde die Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehung beschrieben. Ein analytisches Modell zur Berechnung der resultierenden Oberflächenkonditionierung wurde entwickelt, basierend auf der 3D Schneiden- und Führungsleisteneingriffsmodellierung in Verbindung mit der Eigendehnungstheorie. Zudem wurden charakteristische Prozessschwingungen analysiert und in Verbindung mit den entstehenden Oberflächenmarken gebracht, wodurch ein bestehendes Dynamikmodell erweitert werden konnte.
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    Laser assisted micro-milling of titanium alloy
    (2024) Hojati, Faramarz; Biermann, Dirk; Azarhoushang, Bahman
    The interest in applying Additive Manufacturing (AM) technology has grown due to its ability to produce complex parts with high flexibility, serving as an alternative to conventional manufacturing processes. However, the poor surface quality and limited dimensional accuracy of AM parts often necessitate post-processing such as machining, grinding, and polishing. Titanium, specifically Ti6Al4V alloy, is frequently used in AM technology. This study compares the machinability of AM Ti6Al4V parts produced by Electron Beam Melting (EBM) with extruded Ti6Al4V parts, focusing on cutting forces, specific cutting energy, burr formation, and surface quality in the micro-milling process. Despite the higher hardness of EBM Ti6Al4V, no significant difference in cutting forces was observed at chip thicknesses between 7.4 μm and 37.3 μm. However, at chip thicknesses below 7.4 μm, EBM parts exhibited lower cutting forces and specific cutting energies, and finer surface roughness. Both materials formed continuous wavy-type burrs of comparable size during micro-milling. The study also underscores the significance of Laser-Assisted Machining (LAM) in reducing machining forces and increasing Material Removal Rate (MRR). Instead of the traditional LAM method, a pico-second laser (USPL) was used to pre-structure the Ti6Al4V parts, impacting uncut chip thicknesses during micro-milling. A kinematic model was developed to understand the influence of workpiece structuring on uncut chip thicknesses, identifying structure density and depth as critical parameters. Experimental tests showed a significant reduction in cutting forces with pre-structured workpieces, without notable changes in surface roughness. The orientation of structure lines relative to the helix angle affected the surface roughness. Pre-structuring led to controlled subsurface damage and less material removal during milling, resulting in better machinability.
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    Werkzeug-Einlaufverhalten beim Microfinishen
    (2023) Tilger, Meik; Biermann, Dirk
    Die Untersuchungen vergleichen das Einlaufverhalten metallisch gebundener Diamant-Microfinishwerkzeuge in unterschiedlichen Konditionierzuständen. Die Analyse erfolgt werkstück-, prozess- als auch werkzeugseitig anhand von Oberflächengüte, Prozesskräften und Werkzeugtopographie. Hierdurch wird die Wirkung der Konditionierzustände auf das Einlaufverhalten des Werkzeugs respektive das Erreichen der stationären Prozessphase untersucht und hinsichtlich der auftretenden Wechselwirkungen analysiert.
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    Fundamental investigations on interrupted machining of challenging materials with MQL
    (2024) Alammari, Youssef; Biermann, Dirk; Möhring, Hans-Christian
    Challenges associated with sustainable manufacturing are investigated by exploring new approaches to optimize resources utilization during machining. The focus is on understanding fundamental tribological aspects, particularly during chip formation, with an emphasis on interrupted machining using minimum quantity lubrication (MQL). Investigations into difficult-to-cut materials, such as austenitic stainless steel and Inconel 718, reveal significant reductions in chip-tool contact during initial period of chip formation (IPCF). Thermal modeling establishes correlations between a finite cutting distance of IPCF and a transition temperatures contributing to a better understanding of the process. Practical case studies employing peck drilling and vibration-assisted drilling demonstrate both the potentials and challenges associated with introducing interruptions in continuous machining operations.
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    Micro structuring tool steel components using Precise Electrochemical Machining (PECM)
    (2022-10-06) Wali, Abdul; Platt, Timo; Meijer, Alexander; Biermann, Dirk
    Surface structuring offers great potential for modifying frictional properties for various applications, such as complex forming processes like sheet-bulk metal forming. The production of surface structures in micrometre range is challenging for manufacturing processes in particular when machining hard-to-cut materials like hardened tool steels. Precise electrochemical machining (PECM) has great potential for surface structuring and shaping of metallic materials regardless of their hardness with high surface quality and comparatively very short process times, especially when structuring large areas and batches. Micro structuring of hardened tool steel surfaces using PECM is investigated in this paper. Surfaces of high-speed tool steel and hot-work tool steel are structured using a commercial PECM machine with neutral solution of NaNO3 as electrolyte. In a process sequence, PECM tools were manufactured in a first step producing selected structures by high-feed milling (HFM) and micromilling (MM). In a further process step, the negative shape of these complex structures was machined using the PECM process. Through this process chain, new types of structures can be generated which have different tribological properties than their corresponding negative shapes of HFM and MM structures. Tribological behaviour and wear properties of the structured surfaces are investigated through ring compression test (RCT).
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    Supplement 3 zu Fundamental characterization of lubricating effects through various cooling lubricants in the chip formation zone
    (2023-08) Saelzer, Jannis; Bergmann, Benjamin; Schenzel, Jan; Menze, Christian Jürgen; Gerken, Julian Frederic; Wolf, Tobias; Denkena, Berend; Möhring, Hans-Christian; Zabel, Andreas; Biermann, Dirk
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    Supplement 2 zu Fundamental characterization of lubricating effects through various cooling lubricants in the chip formation zone
    (2023-08) Saelzer, Jannis; Bergmann, Benjamin; Schenzel, Jan; Menze, Christian Jürgen; Gerken, Julian Frederic; Wolf, Tobias; Denkena, Berend; Möhring, Hans-Christian; Zabel, Andreas; Biermann, Dirk
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    Supplement 1 zu Fundamental characterization of lubricating effects through various cooling lubricants in the chip formation zone
    (2023-08) Saelzer, Jannis; Bergmann, Benjamin; Schenzel, Jan; Menze, Christian Jürgen; Gerken, Julian Frederic; Wolf, Tobias; Denkena, Berend; Möhring, Hans-Christian; Zabel, Andreas; Biermann, Dirk
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    Potential of high-feed milling structured dies for material flow control in hot forming
    (2022-09-27) Platt, Timo; Baumann, Jonas; Biermann, Dirk
    Hot forming processes of complex parts with small cavities demand high-performance tools made of hardened steels. Their surface can be tribologically modified in order to control the material flow for improving the mold filling of functional elements. Surface structuring here offers great potential for adjusting the frictional properties and thus controlling the material flow in forming processes. In this study, high-feed milling (HFM) of surface structures in hot work tool steel (HWS) components is investigated. The process performance was determined by cutting force measurements and tool life tests. The achievable surface topography was measured and evaluated in terms of structure quality and roughness parameters, and friction properties were derived based on the results. In a hot ring compression test, the influence of certain structure variants on the material flow was analyzed. The results conclude that HFM is a suitable process for structuring HWS components with constant structure quality and low tool wear. In addition, a variety of structures showed significant influence on the hot ring compression test. This indicates a relevant potential of HFM for the modification of hardened tool surfaces to improve the performance of hot forming processes and increase the manufactural quality and productivity.
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    Supplement zu Fundamental tribological effects in lubricated cutting processes
    (2023-03-17) Zabel, Andreas; Saelzer, Jannis; Elgeti, Stefanie; Alammari, Youssef; Berger, Sebastian; Biermann, Dirk
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    Experimental and computational analysis of the coolant distribution considering the viscosity of the cutting fluid during machining with helical deep hole drills
    (2022-02-15) Özkaya, Ekrem; Michel, Sebastian; Biermann, Dirk
    An experimental analysis regarding the distribution of the cutting fluid is very difficult due to the inaccessibility of the contact zone within the bore hole. Therefore, suitable simulation models are necessary to evaluate new tool designs and optimize drilling processes. In this paper the coolant distribution during helical deep hole drilling is analyzed with high-speed microscopy. Micro particles are added to the cutting fluid circuit by a developed high-pressure mixing vessel. After the evaluation of suitable particle size, particle concentration and coolant pressure, a computational fluid dynamics (CFD) simulation is validated with the experimental results. The comparison shows a very good model quality with a marginal difference for the flow velocity of 1.57% between simulation and experiment. The simulation considers the kinematic viscosity of the fluid. The results show that the fluid velocity in the chip flutes is low compared to the fluid velocity at the exit of the coolant channels of the tool and drops even further between the guide chamfers. The flow velocity and the flow pressure directly at the cutting edge decrease to such an extent that the fluid cannot generate a sufficient cooling or lubrication. With the CFD simulation a deeper understanding of the behavior and interactions of the cutting fluid is achieved. Based on these results further research activities to improve the coolant supply can be carried out with great potential to evaluate new tool geometries and optimize the machining process.
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    Investigation into deep hole drilling of austenitic steel with advanced tool solutions
    (2021-09-13) Felinks, Nils; Rinschede, Timo; Biermann, Dirk; Stangier, Dominic; Tillmann, Wolfgang; Fuß, Moritz; Abrahams, Hendrik
    Deep hole drilling processes for high-alloyed materials are characterised by worn guide pads and chatter vibrations. In order to increase feed rates, process stability and bore quality in STS deep hole drilling, various investigations were carried out with adjustments to the tool. First, a new process chain for the production of tribologically optimised guide pads and their effects on the guide pad shape is described in detail. The results of these studies show that the shape change in the area of the axial run-in chamfer through a micro finishing process leads to a better bore hole quality. Furthermore, the influence of guide pad coating and cooling lubricant on the deep hole drilling process was investigated. In addition, the machining of the austenitic steel AISI 304 is analysed by using a conventional steel boring bar and an innovative carbon fibre reinforced plastic (CFRP)-boring bar. While the conventional drill tube oscillates with different eigenfrequencies, the CFRP-boring bar damps chatter vibrations of the drill head and stabilises the process. Even at higher feed rates up to f = 0.3 mm, it is possible to machine austenitic, difficult-to-cut-materials with significantly reduced vibrations.
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    Magnetabrasives Polieren auf Bearbeitungszentren
    (2022) Zelinko, Andrii; Biermann, Dirk; Karpuschewski, Bernhard
    Die steigenden Anforderungen an die Oberflächenqualität von Bauteilen verursachen einen hohen Zeit- und Kostenaufwand in der Endbearbeitung von Plan- und Freiformflächen. Obwohl zahlreiche Finishverfahren heutzutage industriell umgesetzt werden, weisen die meisten Technologien eine sehr niedrige Produktivität und prozessspezifische Nachteile auf. Weiterhin werden für die Erzeugung sehr hoher Oberflächengüten häufig komplexe und teure Anlagen des Sondermaschinenbaus benötigt. Eine konkurrenzfähige Alternative kann das magnetabrasive Polieren (MAP) auf Bearbeitungszentren in Form von MAP-Werkzeugen mit standardisierter Schnittstelle bilden, welche wie Standardwerkzeuge in die Werkzeugmaschine integriert werden können. Die Grundidee einer solchen Integration besteht darin, das automatisierte Polieren nach dem Fräsen auf einem BAZ durchzuführen und somit die Anschaffungskosten der Anlage für eine Finishtechnologie oder manuelle, hochaufwändige Handarbeit zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit werden fünf Branchen mit hohem Bedarf in der Endbearbeitung sowie zwölf Finishtechnologien mit prozessspezifischen Vor-, Nachteilen und Grenzen näher erläutert. Darüber hinaus wird ein grundlegender, ausführlicher und anwendungsbezogener Forschungsbeitrag zum magnetabrasiven Polieren von Planflächen ferromagnetischer Werkstücke auf Bearbeitungszentren gegeben. Eine innovative Lösung zur Verstärkung der Prozessintensität durch Modifikation der mechanischen Pulververdichtung im Arbeitsspalt wird präsentiert. Außerdem werden der Einfluss der Prozessparameter, MAP-Werkzeugtypen, Prozessmodifikationen, Werkstückeigenschaften und Kenngrößen untersucht und die Erkenntnisse auf das magnetabrasive Polieren von Freiformflächen übertragen sowie mit ausführlichen Versuchsreihen statistisch untermauert. Durch das magnetabrasive Polieren von gefrästen Planflächen ferromagnetischer Werkstücke konnte eine signifikante Oberflächenverbesserung bis zu Ra = 0,02 μm und Rz = 0,12 μm erreicht werden. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, eine anwendungsbezogene Grundlage des magnetabrasiven Polierens auf Bearbeitungszentren zu generieren, um somit einen Beitrag zum verstärkten Einsatz dieses Verfahrens in der Industrie zu leisten.
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    Application of interpolation methods for the determination of position-dependent frequency response functions for the simulation of 5-axis milling processes
    (2021-07-21) Wilck, Ines; Wirtz, Andreas; Biermann, Dirk; Wiederkehr, Petra
    The occurrence of chatter vibrations in 5-axis milling processes is a common problem and can result in part failure, surface defects and increased wear of the cutting tool and the machine tool. In order to prevent process vibrations, machining processes can be optimized by utilizing geometric physically-based simulation systems. Since the modal parameters of the machine tool are dependent on the position of the linear and rotary axes, the dynamic behavior of milling processes can change along the NC path despite constant engagement conditions. In order to model the pose-dependent modal properties at the tool tip, the frequency response functions (FRFs) were measured at different locations of the workspace of the machine tool for various poses of the rotary axis of the spindle. To take the varying compliance within the workspace of a machine tool into account in a geometric physically-based milling process simulation, different interpolation methods for interpolating FRFs or parameter values of oscillator-based compliance models (OPV) were applied. For validation, the resulting models were analyzed and compared to measured data. In OPV interpolation, the individual oscillation modes were interpolated in their respective characteristics based on the oscillator parameters (eigenfrequencies, modal masses and damping values). In FRF interpolation, however, there was no differentiation between the modes, resulting in a wrong interpolation. It can therefore provide good results when only a small shift of the eigenfrequencies is expected, as in case of the analyzed machine tool, with only small movements of the translatory axes.
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    Analysis of the influence of surface modifications on the fatigue behavior of hot work tool steel components
    (2021-11-30) Wild, Thomas; Platt, Timo; Biermann, Dirk; Merklein, Marion
    Hot work tool steels (HWS) are widely used for high performance components as dies and molds in hot forging processes, where extreme process-related mechanical and thermal loads limit tool life. With the functionalizing and modification of tool surfaces with tailored surfaces, a promising approach is given to provide material flow control resulting in the efficient die filling of cavities while reducing the process forces. In terms of fatigue properties, the influence of surface modifications on surface integrity is insufficiently studied. Therefore, the potential of the machining processes of high-feed milling, micromilling and grinding with regard to the implications on the fatigue strength of components made of HWS (AISI H11) hardened to 50 ± 1 HRC was investigated. For this purpose, the machined surfaces were characterized in terms of surface topography and residual stress state to determine the surface integrity. In order to analyze the resulting fatigue behavior as a result of the machining processes, a rotating bending test was performed. The fracture surfaces were investigated using fractographic analysis to define the initiation area and to identify the source of failure. The investigations showed a significant influence of the machining-induced surface integrity and, in particular, the induced residual stress state on the fatigue properties of components made of HWS.
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    Neue Methoden zur Entwicklung und Herstellung von Hochleistungswerkzeugen für die Bohrbearbeitung von Inconel 718
    (2021) Bücker, Milan; Biermann, Dirk; Denkena, Berend
    Zum Fertigen von Bohrungen geringer Durchmesser in Bauteilen aus hochwarmfesten Nickelbasislegierungen kommen in der Regel Werkzeuge aus Hartmetall zum Einsatz. Da diese eine begrenzte Warmfestigkeit aufweisen, müssen die auftretenden Temperaturen gering gehalten werden, um vorzeitigem Werkzeugverschleiß und einer Beeinträchtigung der Bohrungsqualität vorzubeugen. Durch die erschwerte Zugänglichkeit der Wirkstelle beim Bohren sind die Möglichkeiten zur effektiven Prozesskühlung zusätzlich eingeschränkt. Daher können bislang nur moderate Schnittwerte eingesetzt werden, wodurch die Produktivität limitiert ist. Frühere Arbeiten konnten aufzeigen, dass ein Absatz in die Freifläche von Zerspanwerkzeugen den auftretenden Verschleiß reduziert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde dieses Konzept einer Freiflächenmodifikation weiterentwickelt. Dazu wurden zunächst Referenzversuche durchgeführt, um die lokalen Schneidenbelastungen zu analysieren. Untersucht wurde, neben dem Verschleißverhalten der Werkzeuge, insbesondere das thermomechanische Belastungskollektiv. Die Erkenntnisse dienten anschließend als Eingangsdaten für die simulationsgestützte Auslegung. Mit ihrer Hilfe wurde zunächst eine Werkzeugmodifikation mit großvolumigem Absatz an der Freifläche ausgelegt. So modifizierte Werkzeuge wiesen in den nachfolgenden Validierungsversuchen signifikante Vorteile im Verschleißverhalten auf. Die Versuchsergebnisse deuteten allerdings darauf hin, dass insbesondere die Schneidenecken hohen Belastungen unterliegen, so dass ihre effektive Kühlung als wichtige Zielgröße identifiziert wurde. Darauf basierend erfolgte eine weiterführende Modifikation des Wendelbohrers durch zusätzliche Strömungskanäle, um den Kühlschmierstofffluss, und damit die Wärmeabfuhr aus dem Prozess, weiter zu verbessern. Auf diese Weise modifizierte Werkzeuge zeigten in anschließenden Untersuchungen erhebliche Standzeitvorteile. Die durchgeführten Analysen belegen, dass die entwickelte Werkzeugmodifikation ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung bei der Bohrbearbeitung hochwarmfester Nickelbasislegierungen besitzt. So ließen sich sowohl die Werkzeuglebensdauer als auch die Qualität der gefertigten Bohrungen signifikant steigern, was auf eine experimentell nachgewiesene Verringerung der Schneidentemperaturen durch Verbesserung der Kühlschmierstoffversorgung zurückzuführen ist. Die erfolgreiche Entwicklung und Umsetzung der Modifikation zeigt, dass diese das Einsatzverhalten von Bohrwerkzeugen grundlegend verbessern kann. Künftige Arbeiten werden darauf abzielen, die auftretenden Wirkmechanismen detaillierter zu untersuchen und die Werkzeugmodifikation auf weitere anspruchsvolle Anwendungsfälle zu übertragen.
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    Thermally assisted machine hammer peening of arc-sprayed ZnAl-based corrosion protective coatings
    (2021-10-14) Wirtz, Andreas; Abdulgader, Mohamed; Milz, Michael P.; Tillmann, Wolfgang; Walther, Frank; Biermann, Dirk
    Structural elements of offshore facilities, e.g., offshore wind turbines, are subject to static and dynamic mechanical and environmental loads, for example, from wind, waves, and corrosive media. Protective coatings such as thermal sprayed ZnAl coatings are often used for protection, mainly against corrosive stresses. The Machine Hammer Peening (MHP) process is an innovative and promising technique for the post-treatment of ZnAl coating systems that helps reducing roughness and porosity and inducing compressive residual stresses. This should lead to an enhancement of the corrosion fatigue behavior. In this paper, the effect of a thermally assisted MHP process was investigated. The softening of the coating materials will have a direct effect on the densification, residual porosity and the distribution of cracks. The investigation results showed the influence of thermally assisted MHP on the surface properties, porosity, residual stresses, and hardness of the post-treated coatings. The best densification of the coating, i.e., the lowest porosity and roughness and the highest compressive residual stresses, were achieved at a process temperature of 300 °C. A further increase in temperature on the other hand caused a higher porosity and, in some cases, locally restricted melting of the coating and consequently poorer coating properties.
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    Minimisation of pose-dependent regenerative vibrations for 5-axis milling operations
    (2021-09-10) Wilck, Ines; Wirtz, Andreas; Merhofe, Torben; Biermann, Dirk; Wiederkehr, Petra
    The machining of free-formed surfaces, e.g., dies or moulds, is often affected by tool vibrations, which can affect the quality of the workpiece surface. Furthermore, in 5-axis milling, the dynamic properties of the system consisting of the tool, spindle and machine tool can vary depending on the tool pose. In this paper, a simulation-based methodology for optimising the tool orientation, i.e., tilt and lead angle of simultaneous 5-axis milling processes, is presented. For this purpose, a path finding algorithm was used to identify process configurations, that minimise tool vibrations based on pre-calculated simulation results, which were organised using graph theory. In addition, the acceleration behaviour of the feed drives, which limits the ability of adjusting the tool orientation with a high adaption frequency, as well as potential collisions of the tool, tool chuck and spindle with the workpiece were considered during the optimisation procedure.
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    Untersuchungen zur Topographie- und Umfangsgestaltoptimierung von Einlippentiefbohrwerkzeugen
    (2020) Bathe, Timo; Biermann, Dirk; Tillmann, Wolfgang
    Die zunehmende Elektrifizierung der Automobile sowie die sinkende Nachfrage nach Fahr-zeugen mit Dieselmotoren führen zu einer Steigerung des Kosten- und Fertigungsdrucks in der spanenden Fertigungsbranche. Der Wandel im Automobilsektor sowie der prognostizierte Konjunkturabschwung führen dazu, dass aktuell bestehende Prozesse hinsichtlich der resul-tierenden Fertigungskosten durch eine gezielte Auswahl verschiedener Verfahren zu optimie-ren sind. Zur Gewährleistung einer erfolgreichen Umsetzung und Implementierung von Opti-mierungsmaßnahmen ist es erforderlich, nahezu die gesamte Prozesskette bei der Herstel-lung von Zerspanungswerkzeugen zu betrachten. Aus diesem Grund erfolgt in der vorliegen-den Arbeit die Untersuchung einer Topographie- und Umfangsgestaltoptimierung am Beispiel von Einlippentiefbohrwerkzeugen unter Berücksichtigung der branchenüblichen Prozesskette. Der Einlippentiefbohrprozess findet in verschiedenen Industriebereichen Anwendung, weshalb die folgenden Untersuchungen auch bei zunehmender Elektrifizierung der Automobilbranche einen Mehrwert für andere Wirtschaftszweige bieten. Da der asymmetrische Werkzeugauf-bau spezielle Anforderungen an den Zerspanungsprozess stellt und besondere Kontaktbedin-gungen bestehen, werden unterschiedliche Maßnahmen zur Optimierung der Prozesskette untersucht. Zur Erfüllung dieser Zielstellung erfolgt im Rahmen dieser Arbeit eine fundierte Untersuchung verschiedener Optimierungsmaßnahmen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Einlippen-tiefbohrwerkzeugen. Erreicht wird dies durch die Untersuchung einer definierten Beeinflus-sung der Schneidkantenmikrogestalt durch das etablierte Nassstrahlspanen sowie die Ent-wicklung eines neuen, in bestehende Herstellungsketten integrierbaren, Schneidkantenpräpa-rationsprozesses. Bedingt durch die Möglichkeit eines neuen Präparationsverfahrens lassen sich bestehende Prozessketten verkürzen und optimieren und gleichzeitig höhere bzw. gleichwertige Fertigungsqualitäten erreichen. Neben der Schneidkantenpräparation erfolgt eine detaillierte Betrachtung der Möglichkeiten zur Beeinflussung der Werkzeugfunktionsflä-chen sowie der Werkzeugkontur durch das Polierschleifen mit elastischen Schleifscheibenbe-lägen. Im Fokus dieser Untersuchungen steht sowohl die gezielte Veränderung der erzeugba-ren Oberflächentopographie als auch die Beeinflussung der Werkzeugumfangsgestalt und des Stirnübergangs zwischen Stirn- und Umfangsfläche. Aufgrund des Einsatzes von Hart-stoffschichten zur Beschichtung von Zerspanungswerkzeugen bei der Stahlbearbeitung sind zusätzliche Untersuchungen hinsichtlich der Schichtvor- und -nachbehandlung durch ver-schiedene Verfahren erforderlich. Zum Abschluss der Untersuchung der verschiedenen Op-timierungsmaßnahmen erfolgt eine Validierung der Weiterentwicklungen durch Einsatzversu-che der angepassten Werkzeuge sowie eine Bewertung der durchgeführten Maßnahmen in Bezug auf die Implementierung in bestehende Herstellungsketten sowie die erreichbare Ferti-gungsqualität und Standzeit. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen wird eine Bewertung der optimierten Prozesskette durchgeführt, um eine Einordnung der ergänzenden Maßnahmen und der erreichten Substitutionen zu ermöglichen.