Optimization of Milling Tool Geometry for CFRP/Nomex Honeycomb Sandwich Structures Based on Side-Milling Experiments

In der Welt der modernen Fertigung besteht ein ständiges Spannungsfeld zwischen dem Bedürfnis nach leichter Festigkeit und der Schwierigkeit, diese Materialien zu formen. Ingenieure greifen oft auf Sandwichstrukturen zurück, die eine dünne, zähe Außenhülle mit einem leichten, wabenartigen Kern kombinieren. Diese Materialien sind essenziell für Branchen wie die Luftfahrt und die neue Energie, in denen Gewichtseinsparung entscheidend für Effizienz und Leistung ist. Doch genau die Merkmale, die diese Strukturen so wertvoll machen – ihre Mischung aus starren Kohlenstofffaserschichten und zarten, papierartigen Wabenzellen –, machen sie notorisch schwierig zu schneiden. Wenn ein Werkzeug versucht, durch diese unebene Mischung zu schneiden, reißt es oft den empfindlichen Kern auf oder hinterlässt gezackte, unfertige Kanten. Die Herausforderung besteht darin, ein Werkzeug zu finden, das durch diese komplexe Landschaft navigieren kann, ohne das Werkstück zu beschädigen oder zu schnell zu verschleißen.

Forscher der Universität Shandong machten es sich zur Aufgabe, dieses spezifische Rätsel zu lösen, indem sie zwei verschiedene Schneidwerkzeuge an einer Platte aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und einem Nomex-Wabenkern testeten. Sie verließen sich nicht auf Computersimulationen oder theoretische Vermutungen; stattdessen führten sie eine Reihe von realen Fräsexperimenten durch, bei denen sie das Material mit verschiedenen Geschwindigkeiten und Vorschüben durchschnitten. Durch die Messung der auf die Werkzeuge wirkenden Kräfte, der während des Schnitts erzeugten Wärme, der Qualität der fertigen Oberfläche und des Werkzeugverschleißes wollten sie bestimmen, welche Werkzeuggeometrie das beste Gleichgewicht der Leistung bot. Die Studie konzentrierte sich auf zwei spezifische Typen von Fräsern, die beide einen Durchmesser von sechs Millimetern hatten, sich jedoch in Form und Anzahl der Schneiden unterschieden. Ein Werkzeug, bezeichnet als T1, verfügte über eine trapezförmige Nut zum Zerkleinern von Spänen, während das andere, T2, eine halbmondförmige Nut und mehr Schneiden besaß.

Die Experimente zeigten, dass das Verhalten der Schnittkraft eng mit der Struktur der Wabe verknüpft war. Während sich das Werkzeug durch das Material bewegte, stieg und fiel die Kraft in einem rhythmischen Muster, das den hexagonalen Zellen des Wabenkerns entsprach. Die höchsten Kräfte traten auf, wenn das Werkzeug auf die Punkte traf, an denen drei Zellwände aufeinandertrafen, was einen momentanen Widerstandsspitzenwert erzeugte. Wenn das Werkzeug diese Knotenpunkte erreichte, musste es oft zwei Materialschichten gleichzeitig schneiden, was mehr Leistung erforderte. Die Forscher beobachteten jedoch, dass sich die zarten Wände, wenn das Werkzeug sich diesen Knotenpunkten näherte, manchmal weg bogen oder zurückwichen, anstatt sauber abgeschnitten zu werden. Dieses strukturelle Zurückweichen bedeutete, dass das Werkzeug nicht so stark drücken musste, was die Kraft sinken ließ, aber auch kleine, ungeschnittene Fragmente der Wandenwand hinterließ, die die Oberfläche beeinträchtigten.

Beim Vergleich der beiden Werkzeuge zeigten die Ergebnisse einen klaren Vorteil für das Werkzeug mit der halbmondförmigen Nut und den mehr Schneiden, bekannt als T2, insbesondere bei niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten. Dieses Werkzeug erzeugte glattere Schnitte mit weniger Kraftfluktuation, wahrscheinlich weil seine zusätzlichen Kanten es ihm ermöglichten, das Material kontinuierlicher zu bearbeiten. Bei langsameren Geschwindigkeiten erzeugte T2 geringere Durchschnittskräfte in alle Richtungen und hielt einen stabileren Schneidprozess aufrecht. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit verringerte sich jedoch der Leistungsunterschied zwischen den beiden Werkzeugen, und ihre Durchschnittskräfte wurden nahezu identisch. Interessanterweise war das andere Werkzeug, T1, während T2 besser im Management der Kraft war, besser darin, die Wärme zu bewältigen. T1 hielt die Schnittzone kühler und stabiler, was darauf hindeutet, dass es Wärme effizienter ableitet, was entscheidend ist, um ein Erweichen des Harzes im Verbundwerkstoff und damit eine Beschädigung zu verhindern.

Trotz des Vorteils von T1 bei der Temperaturkontrolle begünstigte das Gesamtbild das T2-Werkzeug. Eine mikroskopische Untersuchung der Werkzeuge nach den Experimenten zeigte, dass T1 erhebliche Schäden erlitten hatte, einschließlich abgebrochener Kanten und starker Ablagerungen von Kohlenstofffaser-Rückständen, die an der Schneide hafteten. Im Gegensatz dazu wies T2 nur geringen Verschleiß und kaum Materialanhaftungen auf. Die von T2 erzeugte Oberflächenqualität war ebenfalls generell besser, mit weniger freiliegenden Fasern und regelmäßigeren Wabenwänden, obwohl es spezifische Bedingungen gab, unter denen T1 etwas besser abschnitt. Die Studie kam zu dem Schluss, dass das T2-Werkzeug mit seiner spezifischen Geometrie die beste Gesamtleistung bot. Es lieferte einen stabileren Schneidprozess und hinterließ eine sauberere Oberfläche, was es zur bevorzugten Wahl für die Fertigung dieser hochtechnologischen Materialien macht. Die Ergebnisse bieten Ingenieuren einen praktischen Leitfaden für die Auswahl von Werkzeugen und bestätigen, dass die Form und Anzahl der Schneiden eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie gut diese schwierigen Materialien bearbeitet werden können.