Residual stress and part distortion in milled aerospace aluminium

Autor: Luis Rodrigo de León García

ISBN: 978-3-941416-43-7

Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2010

Herausgeber der Reihe: Berend Denkena

Band-Nr.: IFW 01/2010

Umfang: 139 Seiten, 110 Abbildungen

Schlagworte: milling, aerospace aluminium, residual stress, part distortion; Fräsen, Luftfahrtaluminium, Eigenspannungen, Bauteilverzug

Kurzfassung:

Modern machining systems enable high material removal rates in milling of filigree aerospace components. This research work investigates the machining induced residual stresses and resultant distortion of aluminium parts. The mechanical load on the workpiece is calculated by means of a model of the milling forces. Experiments and FE-simulations show that the thermal workpiece loads during aluminium milling are negligible. Furthermore, microstructured workpieces exhibit deeper subsurface strains after milling with high forces. An empirical model is developed in order to predict the depth profiles of residual stresses inside the workpiece. Experiments show that the cuttting speed, feed per tooth, radial rake angle and helix angle influence significantly the residual stresses. Furthermore, it is determined that tools with a corner radius lead to nearly residual stress free subsurfaces. An increase of the axial cutting edge radius leads to significantly more pronounced compressive residual stresses at higher depths due to the ploughing effect. Finally, a method for the design of milling processes under consideration of the part distortion is presented. In this way, parameter combinations for important reductions of the part distortion by a similar productivity can be identified without experimental tests.

Moderne Zerspansysteme ermöglichen hohe Zeitspanvolumina während der Fräsbearbeitung filigraner Luftfahrtbauteile. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit den zerspanungsinduzierten Eigenspannungen und dem resultierenden Verzug von Aluminiumbauteilen. Die mechanische Bauteilbelastung wird mittels eines Modells der Fräskräfte berechnet. Experimente und FE-Simulationen zeigen, dass die thermische Bauteilbelastung während der Fräsbearbeitung von Aluminium vernachlässigbar ist. Anhand mikrostrukturierter Bauteile wird gezeigt, dass hohe Prozesskräfte tiefere Verformungen in der Randzone verursachen. Durch ein empirisches Modell werden Eigenspannungstiefenverläufe prognostiziert, welche vom Zahnvorschub, der Schnittgeschwindigkeit, dem radialen Spanwinkel und dem Drallwinkel signifikant beeinflusst werden. Ferner wird festgestellt, dass Werkzeuge mit einem Eckenradius nahezu eigenspannungsfreie Randzonen erzeugen. Eine Erhöhung des axialen Schneidkantenradius hingegen führt zu höheren Druckeigenspannungen in tieferen Bereichen aufgrund des Ploughing-Effekts. Schließlich wird eine Methode zur theoretischen Auslegung des Fräsprozesses unter Berücksichtigung des Bauteilverzugs eingeführt, mit welchem minimierte Bauteilverzüge bei hoher Produktivität erreicht werden. Mit dieser Methode kann zukünftig der experimentelle Aufwand zur Auslegung eines Bearbeitungsprozesses signifikant reduziert werden.