Qualitätsorientierte Prozessgestaltung der Bohrungsfertigung in kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe

Kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK) nehmen wegen ihres guten Verhältnisses von mechanischer Belastbarkeit zur Dichte eine führende Rolle im Leichtbau ein. Die bei der Bohrungsherstellung in CFK aufgrund der Werkstoffanisotropie auftretenden Werkstückschädigungen in Form von Delamination oder Faserausrissen müssen im industriellen Einsatz verhindert werden.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit werden aufbauend auf Vorbetrachtungen zum Bohren die Prozessmechanismen sowie Optimierungsansätze eruiert. Anhand einer Schneideneckenund einer Reibuntersuchung können prozessseitige Einflussfaktoren auf die erzielbare Werkstückqualität sowie Potentiale hinsichtlich der Zerspankraftorientierung in Bezug zur werkstofftypischen Anisotropie aufgezeigt werden. Basierend auf grundlegenden Orthogonalschnittversuchen
wird der Einfluss der Schneidkantenmikrogeometrie auf die Prozesskräfte und die Oberflächenintegrität in unterschiedlichen Bearbeitungsebenen analysiert. Dabei bewirken unterschiedliche mikroskopische Bereiche einer Schneidkante differente Zerspanungsphänomene und nehmen Einfluss auf die Werkstückoberflächenqualität. Für diese Analyse werden unterschiedliche Schneidkantenradien, für deren Präparation ein neues Verfahren durch Hochdruckwasserabrasivstrahlspanen vorgestellt wird, eingesetzt.

Auf Basis experimenteller Ergebnisse erfolgt eine geometrisch-empirische Kraftmodellierung, die eine Unterteilung der Schneidkante in vier Bereiche mit unterschiedlicher Prozessbeeinflussung beinhaltet. Hierbei können insbesondere
Erkenntnisse zur Entstehung der Passivkraft, die im übertragenen Bohrprozess die Vorschubkraft beeinflusst, gewonnen und der Grenzspanwinkel berechnet werden. Aus den Ergebnissen werden Schneidkantenpräparationsverfahren abgeleitet. Abschließend werden die Erkenntnisse in Prozessstrategien zur Delaminationsreduzierung übertragen.

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Carbon fibre reinforced plastics (CFRP) are common in lightweight construction due to their good ratio of mechanical strength to density. The damage to the workpiece in the form of delamination or fibre pull-outs, which occurs during drilling in CFRP due to the material anisotropy, must be prevented in industrial use. Within the scope of the present work, the process mechanisms and optimisation approaches are determined on the basis of preliminary considerations of drilling. On the basis of both a cutting edge corner and a reaming investigation, process-side influencing factors on the achievable workpiece quality and potentials regarding the cutting force orientation in relation to the material-typical anisotropy can be shown. Using basic orthogonal cutting tests, the influence of the cutting edge microgeometry on the process forces and the surface integrity in different machining planes is analysed. Different microscopic regions of the cutting edge cause different cutting phenomena and influence the workpiece surface quality.

For this analysis, different cutting edge radii are used, for the preparation of which a new method using high-pressure abrasive waterjet machining is presented. Experimental results are used for geometric-empirical force modelling, which includes a subdivision of the cutting edge into four areas with different process influences. In particular, knowledge can be gained about the emergence of the passive force, which influences the feed force in the transferred drilling process,
and the rake angle at minimum uncut chip thickness can be calculated. From the results, cutting edge preparation processes for CFRP machining are derived. Finally, the findings are transferred into process strategies for delamination minimisation.