Simulation based reduction of residual stress related part distortion

• Published in: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 2016-08, Vol.47 (8), p.710-717
• Main Authors: Dreier, S., Brüning, J., Denkena, B.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Aircraft components; Bauteile; Bauteilverzug; CAD; CAD/CAM; CAM process chain; CAM-Prozesskette; Consumption; Deviation; Distortion; Eigenspannungen; Industrial applications; Machining; part distortion; Residual stress; residual stresses; Shape effects; Simulation; Strategy; Structural components; Workpieces
• ISSN: 0933-5137; 1521-4052
• DOI: 10.1002/mawe.201600604

During machining of structural components, material inherent stresses are removed and additional residual stresses are induced into the subsurface of the workpiece. Both effects may result in distortions of the workpiece leading to shape deviations and time consuming repair processes. The research objective of this paper is to reduce part distortion caused by residual stresses of machined aircraft components by utilizing a distortion simulation in advance. The presented method is able to predict the part distortion caused by initial and process induced residual stresses. The results are verified in an experimental setup by comparison of measured and predicted distortions of a structural part. Based on the simulated results two basic strategies to minimize part distortion are described. Both strategies have a high potential for direct transfer into industrial application. In addition, three more advanced strategies with the objective of zero distortion are presented. Während der spanenden Bearbeitung von Strukturbauteilen werden initial im Material vorhandene Eigenspannungen entfernt und zusätzliche Eigenspannungen durch den Prozess in die Randschicht des Werkstücks eingebracht. Beide Effekte führen zu einem Verzug des Werkstücks, der zeitaufwendige Nachbearbeitungsprozesse erforderlich macht. Zur Reduzierung des eigenspannungsbedingten Bauteilverzugs wurde eine simulationsbasierte Optimierungsmethode in die CAD/CAM‐Kette integriert. Das vorgestellte Verfahren ist in der Lage, den durch prozessinduzierte und initiale Eigenspannungen verursachten Bauteilverzug zu prognostizieren. Dieser Ansatz wurde am Beispiel eines Flugzeugstrukturbauteils experimentell validiert. Auf Grundlage der simulierten Ergebnisse werden zwei grundlegende Strategien zur Minimierung des Bauteilverzugs beschrieben. Diese haben ein hohes Potenzial für eine direkte Anwendung im industriellen Umfeld. Darüber hinaus werden drei darauf aufbauende Konzepte mit dem Ziel der vollständigen Vermeidung des Verzugs spanend bearbeiteter Bauteile vorgestellt.