Die Forschungsarbeit zielt darauf ab einen Beitrag zum besseren Verständnis der Zerspanungsmechanismen nachgiebiger CFK-Strukturen zu leisten. Dies geschieht unter Berücksichtigung der Werkzeuggeometrie, des Werkzeugverschleißes sowie den spannsituationsspezifischen Einflussfaktoren. Es wird insbesondere die spanende Bearbeitung von endkonturnahen 3-dimensionalen Bauteilen adressiert, welche aktuell mit komplexen Spannsystemen realisiert werden muss. Im Gegensatz zur industriellen Praxis sieht der Forschungsansatz vor, eine gewisse Werkstücknachgiebigkeit an der Bearbeitungsstelle zuzulassen, welche eine ausreichende Bearbeitungsqualität gewährleisten kann. Dadurch schafft die Abhandlung eine Grundlage zur Auslegung und Optimierung von Spannsystemen. Durch die Reduktion der Komplexität von Spannsystemen können Kosten eingespart werden. Gleichzeitig verringert sich damit auch der Platzbedarf zur Lagerung der Spannsysteme.
Obwohl sich ein Großteil der Arbeit mit elementaren Grundlagen der Zerspanung von nachgiebigen CFK-Strukturen befasst, ist der Fokus der Untersuchungen der angewandten Forschung zuzuordnen. Diesbezüglich werden als Zerspanungsmaterial CFK-Laminate aus dem luftfahrttypischen Prepreg HexPly® M21/T800S verwendet, welche mit VHM-Stufenbohrergeometrien nach aktuellem Industriestandard bearbeitet werden. Im experimentellen Teil erfolgt eine messtechnische Analyse der Werkstückkinematik relativ zur Werkzeugbewegung und in Abhängigkeit von der lokalen Werkstücknachgiebigkeit an der Bearbeitungsposition. Dabei steht die zeitliche Entwicklung des Spanungsquerschnittes und der Vorschubswerte des Bearbeitungsprozesses im Vordergrund. Diese werden hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die Austrittsdelamination bewertet. Werkzeugseitig werden dabei die Schneidkantenverrundung von 10 µm bis 50 µm sowie der Spitzenwinkel der Hauptschneiden zwischen 70° und 130° variiert. Die Erkenntnisse der Quantifizierung der Zerspanungsmechanismen gehen Hand in Hand mit der Neuentwicklung dreier unterschiedlicher Simulationsmodelle. Diese bilden die Entstehung von Maßabweichungen der Bohrungskontur, den zeitabhängigen Prozesskraftverlauf sowie die initiale Schädigungsentstehung beim Werkzeugaustritt aus dem CFK-Laminat nach.
The aim of this thesis is to improve the understanding of the machining mechanisms in flexible CFRP structures. This is done by considering the tool geometry, the tool wear and the clamping conditions for the work piece. Basically, this will address the machining of near-net-shape 3-dimensional components. Currently, for the machining of these structures very complex clamping systems are used in the industry. In contrast to daily practice, the scientific approach allows some workpiece flexibility at the machining point, which can still guarantee adequate machining quality. Thus, the thesis establishes a basis for designing and optimizing clamping systems. By reducing the complexity of clamping systems in general, costs can be saved. At the same time the space required for storing the clamping systems is reduced.
Even though a big part of the work deals with elementary fundamentals of the machining of flexible CFRP structures, the overall focus of the investigations can be assigned to the field of applied research. For this purpose, CFRP laminates made of the aviation grade prepreg HexPly® M21/T800S are used as cutting material. The machining is done with solid carbide step drill geometries according to current industry standards. In the experimental part, a metrological analysis of the workpiece kinematics is performed in relation to the tool movement. Here, the decisive factor is the local workpiece flexibility at the machining position. For the analysis, the focus is on the time dependent development of the chip cross section and the feed values of the machining process. Both parameters are evaluated with regard to their effects on the push out delamination when the drill exits the bottom layer of the laminate. Regarding the drilling tool, the radius of the main cutting edges is varied from 10 µm up to 50 µm and the point angle is defined between 70° and 130°. The findings of the experimental quantification of the cutting mechanisms go hand in hand with the development of three different simulation models. These models simulate the development of dimensional deviations of the bore contour, the time-dependent cutting force progression during the drilling process and the initiation of delamination when the drilling tool emerges from the flexible CFRP laminate.