Institut für Fertigungstechnik
u. Photonische Technologien

TU Wien

Grundlagen der Zerspanungstechnik

Eine wesentliche Kernkompetenz des IFT liegt in der Grundlagenforschung im Bereich der Zerspanungstechnik mit geometrisch bestimmter Schneide und geometrisch unbestimmter Schneide. Neben der experimentellen Untersuchung von Prozessgrößen, wie Kräften, Temperaturen usw., zählt die Beurteilung des Spanbildungsprozesses, die Ermittlung und messtechnische Qualifizierung der Spanformen, die Optimierung der Werkzeugtechnik bzw. der Schneidengeometrie, die Untersuchungen des Standverhaltens unterschiedlicher Schneidstoffe und Beschichtungen zu den zentralen Fragestellungen. Für anwendungsorientierte Fragestellungen werden Standzeituntersuchungen sowie Verschleißoptimierungen durchgeführt. Wesentliche Erkenntnisse zum Prozessverhalten werden aus der modellbasierten Analyse wie beispielsweise aus FEM-Berechnungen abgeleitet und führen zu einem besseren Verständnis der physikalischen Wirkmechanismen im Zerspanungsvorgang.

Simulationsbasierte Optimierung von Zerspanungsprozessen

Die Untersuchung komplexer technischer Prozesse, wie es beispielsweise Zerspanungsprozessen darstellen, erfordert neben der experimentellen Untersuchung die Entwicklung von Prozessmodellen, um Detailbetrachtungen von prozesstechnischen Effekten realisieren zu können. Speziell die Analyse der Wechselwirkung von Werkzeug und Werkstück bei Zerspanungsprozessen kann durch den Einsatz der numerischen Simulation detailliert untersucht werden. Die simulationsbasierte Analyse und Optimierung erfolgt dabei auf mikro-, meso- und makroskopischem Detaillierungsniveau. Hierzu ist die Kenntnis des hochdynamischen Materialverhaltens unter Berücksichtigung von Skalierungseffekten und auch des tribologischen Systems zwischen Span und Spanfläche von wesentlicher Bedeutung. Ergebnisse aus der Simulation können durch experimentelle Untersuchungen evaluiert werden.

Neben der Prozessdetailbetrachtung zählen auch die CAM-gestützte Programmierung und Simulation des maschinenspezifischen NC-Programms zu den Tätigkeitsbereichen. Zum einen werden für Prozesse auf NC-Maschinen die Hauptzeiten möglichst detailgenau simuliert, der Arbeitsraum bzw. die Kollisionsmöglichkeiten überprüft und zum anderen die Werkzeuge sowie das Materialverhalten bei den Zerspanungsprozessen detailliert betrachtet. 

Hochleistungsprozesse - HPC, HSC

Unter der Terminologie High Performance Cutting (HPC) werden in der Zerspanungstechnik jene Verfahrensoptimierungen subsummiert, welche eine deutliche Steigerung des Zeitspanvolumens anstreben. Dies bedeutet, dass gegenüber der konventionellen Fertigung mit deutlich höheren Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten bei gesteigerten Spanungsgrößen gearbeitet wird. Erfolgt dies über deutlich gesteigerte Schnittgeschwindigkeiten, so spricht man von High-Speed-Cutting (HSC).

Die hierbei auftretenden, deutlich erhöhten Zerspanungsparameter stellen wesentliche Anforderungen an die Werkzeugmaschine und an das zum Einsatz kommende Werkzeug dar. Am IFT stehen für experimentelle Untersuchungen umfassende Versuchseinrichtungen zur Verfügung, die auch für die Schwerzerspanung geeignet sind (Drehen, Fräsen mit entsprechend verwindungssteifen Maschinen). Die Forschungsschwerpunkte fokussieren auf Untersuchungen von Werkzeugsystemen und Schneidstoffe (HM, Cermit, CBN), der Schneidengeometrie  sowie auf die Anpassung der Werkzeugtechnologie an die geänderten Rahmenbedingungen mit beispielsweise größeren Spankammern und der Minimalmengenschmierung. Dabei steht stets eine Steigerung der Produktivität bei gleicher Prozesssicherheit im Vordergrund. Zerspanungsversuche für das Zerspanen von gehärteten Werkstücken bei Erzielung einer Oberflächenqualität, die dem Schleifen entspricht, stehen ebenfalls im Mittelpunkt der Betrachtungen.

Im Gegensatz zur HPC-Bearbeitung ist die HSC-Bearbeitung durch im Allgemeinen geringere Schnitttiefe bei gleichzeitig hoher Oberflächenqualität und Formkomplexität der Werkstücke gekennzeichnet. Auch hier gilt es in den Forschungsthemen am IFT entsprechende Schneidstoffe, Plattengeometrien und Schnittparameter optimal für den Zerspanungsprozess abzustimmen.

Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen

Die Entwicklung metallischer Werkstoffe bedingt auch neue Bearbeitungsprozesse und –strategien, um wirtschaftlich arbeiten zu können. Speziell Nickelbasis-Werkstoffe und Titan-Legierungen, wie beispielsweise Titanaluminide - und hier jene Legierungen, die intermetallische Phasen ausbilden wie α2-Ti3Al und γ-TiAl, zählen zu jenen Werkstoffgruppen, die hohe Festigkeitswerte bei geringem Gewicht auch bei hohen Umgebungstemperaturen bieten. Eigenschaften, die für Bauteile günstig sind, belasten aber gleichzeitig Werkzeug und Werkzeugmaschine bei der Bearbeitung in hohem Maße. Die richtige Auswahl von Werkzeugtechnologie und Prozessparametern ist wesentlich für das Erreichen der geforderten Präzision und Oberflächenqualität sowie für eine ökonomische und ressourcenschonende Zerspanung. Am IFT werden die Zusammenhänge zwischen Werkzeuggeometrie, -grundwerkstoff, Beschichtung und Verfahrensparametern ermittelt und auf deren Grundlage Optimierungsansätze erarbeitet, realisiert und getestet