Das Verschleißverhalten von polykristallinem Diamant bei der Zerspanung von eisenhaltigen Werkstoffen unter dem Einsatz von gas- und fluidbasierten Kühlungssystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Anforderungen an zukünftige Schneidstoffe sind durch den vermehrten Einsatz von höherfesten Werkstoffen wie z. B. Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV) gekennzeichnet. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass durch eine geeignete Kühlung die Verwendung von polykristallinem Diamant (PKD) entgegen der üblichen Lehrmeinung bei eisenhaltigen, hochfesten Werkstoffen möglich ist. Darüber hinaus sind Schnittgeschwindigkeiten erreichbar, welche den derzeitigen Stand der Technik (beschichtetes Hartmetall) um Faktor zwei übertreffen, was eine produktive Bearbeitung von hochfestem Gusseisen ermöglicht. Der wesentliche Nachteil des Schneidstoffs PKD liegt in der hohen Affinität des Diamantkorns zu Metallen, wie z. B. Eisen (Fe), sowie seiner niedrigen thermischen Stabilität. Deshalb wird PKD bisher ausschließlich in der Zerpanung von nichteisenhaltigen Materialien eingesetzt, da dabei der tribo-chemische Verschleiß nicht zum Tragen kommt und die Prozesstemperaturen unter dem für den PKD kritischen Temperaturbereich von ca. 700 °C bleiben. Innerhalb des Forschungsprojektes konnten erste fundamentale Schritt zur Klärung des Prozesses „Bearbeitung von GJV mit PKD unter Einsatz einer Prozesskühlung" unternommen werden. Hierdurch konnte ein entscheidender Beitrag zur Beschreibung der zum Verschleiß von PKD Schneidstoffen führenden Mechanismen bei der Bearbeitung von eisenhaltigen Werkstoffen geleistet werden. Als Kernelement der bisher evaluierten Mechanismen konnte die Wärmeleitfähigkeit des Diamanten durch die Ergebnisse der Zerspanversuche eindeutig identifiziert werden. Die ermittelte Verschleißentwicklung, welche mit den herrschenden Zerspankräften und Temperaturen innerhalb der PDK Schneide korreliert wurde, zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der Diamantsorte. Diese unterscheiden sich untereinander neben dem Binderanteil vor allem durch die Diamantkorngröße. Die Kombination aus Größe des Diamantkorns und Binderanteil beeinflussen ihrerseits hauptsächlich die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffes. Die Zerpanversuche zeigen, dass mit zunehmender Wärmeleitfähigkeit des PKD mehr Prozesswärme aus der für Kühlmedien unzugänglichen, vom Span verdeckten Zerspanzone durch die Schneidplatte abgeführt werden kann. Durch das Anstrahlen der Wendeschneidplatte mit einem gasförmigen oder fluiden Kühlmedium wird ein stationärer Zustand erreicht, in dem ein Teil der Prozesswärme durch die Schneidplatte abgeführt wird. Das PKD Werkzeug dient quasi als Kühlkörper für den Zerspanungsprozess. Übersteigt die an der Schneidecke erzeugte Prozesswärme die Wärmemenge, welche durch Wärmeleitung im Diamanten und Konvektion zum Kühlmedium übertragen werden kann, so kann die für den PKD kritische Einsatztemperatur überschritten werden; die Diamantmatrix wird durch Graphitisierung und Kohlenstoffdifftision aufgelöst. Als Folge stellt sich ein von der verwendeten Schnittgeschwindigkeit abhängiger, kontinuierlicher Verschleißverlauf ein. Ohne Prozesskühlung kommt es zu dem bisher schon bekannten extrem schnellen Verschleißen des Diamanten, durch den die Schneide schon nach Bruchteilen einer Sekunde zerstört wird. Zusammenfassend zeigt sich, dass wesentliche zerpanungstechnische Bedingungen, unter denen die Bearbeitung von hochfestem Gusseisen unter Einsatz von PKD möglich ist, identifiziert worden sind. Die Erkenntnisse der Drehbearbeitung konnten dabei auch auf die Bearbeitung im unterbrochenen Schnitt als Modellprozess für das Fräsen verifiziert werden. Insgesamt zeigt sich, dass nicht alleine die Menge oder Temperatur des Kühlmediums für die Stabilität des Prozesses verantwortlich sind, sondern auch die verwendete Diamantsorte und der Anschliff der Werkzeuge.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- "Wear Behavior of PCD in Machining CGI". 2nd Diamond at Work in Rom, 19.-20. April 2007
E. Abele, B. Schramm
- „Einsatz von Diamant zur Zerspanung von Sphäroguss". wtonline 1-2(2007)41-46
E. Abele, B. Schramm
