Entwicklung einer Bearbeitungstechnologie für die Zerspanung von partikelverstärkten Ti-Verbundwerkstoffen mit geometrisch bestimmter Schneide
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projekts war die systematische Untersuchung der Prozessbedingungen bei der Zerspanung partikelverstärkter Titanmatrix-Verbundwerkstoffe mit geometrisch bestimmter Schneide. Die Erkenntnisse des ersten Forschungszeitraums zur Bearbeitung im kontinuierlichen Schnitt dienten als Grundlage zur Übertragung auf den unterbrochenen Schnitt beim Fräsen. Die teilfaktoriellen Screening-Versuche haben ergeben, dass beim Fräsen keine der im ersten Forschungszeitraum beim Drehen als signifikant identifizierten Einflussgrößen, Schnittgeschwindigkeit vc und Vorschub f respektive Zahnvorschub fz, die festgelegte Signifikanzgrenze von 95 % überschritten haben. Nichtsdestotrotz besitzen beide Einflussgrößen mit einer Effektstärke von jeweils etwa 80 % einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die gewählten Zielgrößen, das verschleißbezogene Standvolumen VVB und die gemittelte Rautiefe Rz. Hinsichtlich Oberflächenqualität und Werkzeugverschleiß konnten die optimalen Ergebnisse bei einer Schnittgeschwindigkeit zwischen vc = 25 m/min und vc = 50 m/min sowie einem Zahnvorschub zwischen fz = 0,015 mm und fz = 0,03 mm erreicht werden. Darüber hinaus wurde anhand der beobachteten Verschleißmechanismen und Verschleißformen der starke Einfluss der Schneideneckengeometrie auf die Prozesssicherheit der Zerspanwerkzeuge nachgewiesen. Werkzeuge mit kleinen Schneideneckenradien rε = 0,015 mm neigten bei der Zerspanung partikelverstärkter Titanmatrix- Verbundwerkstoffe zu spontanen Eckenausbrüchen und sind damit nur eingeschränkt industriell einsetzbar. Die abrasive Wirkung der Verstärkungspartikel aus Titancarbid und die erhöhte Festigkeit des Werkstoffs führten zu einer hohen mechanischen Werkzeugbelastung. Bei ausreichend hoher Umformenergie konnte jedoch, ebenso wie mit einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit vc, eine Duktilisierung des spröden Werkstückwerkstoffs und damit eine erleichterte Zerspanbarkeit beobachtet werden. Um bei erhöhten Prozessparametern der gesteigerten mechanischen Belastung entgegenzuwirken und die thermische Belastung auf einen größeren Schneidenbereich verteilen zu können, können ausgehend von den vorliegenden Erkenntnissen Werkzeuge mit einem großen Schneideneckenradius empfohlen werden. Im Vergleich zwischen unbeschichteten und TiAlN/TiSiN-beschichteten Werkzeugen konnten mit zunehmendem Zerspanvolumen Standzeitvorteile bei dem beschichteten Werkzeugtyp identifiziert werden. Bei den unbeschichteten Werkzeugen gewannen der Einfluss der abrasiven Verstärkungspartikel und tribochemisch bedingte Adhäsionsvorgänge mit zunehmendem Verschleiß mehr und mehr an Bedeutung, sodass der Verschleiß leicht über dem beschichteter Werkzeuge lag. Angepasste Frässtrategien können die thermomechanischen Wechselbelastungen auf das Werkzeug vermindern. Beim Trochoidalfräsen reduzieren sich aufgrund der Kinematik und dem gegenüber dem konventionellen Nutenfräsen reduzierten Umschlingungswinkel die Prozesskräfte und die thermische Belastung erheblich. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Trochoidalfräsen auch für die Zerspanung partikelverstärkter Titanmatrix-Verbundwerkstoffe eine praktikable Bearbeitungsstrategie darstellt. Das verschleißbezogene Standvolumen VVB konnte hier gegenüber dem konventionellen Nutenfräsen um bis zu 77 % gesteigert werden. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, dass das Zeitspanvolumen Q bei der Trochoidalstrategie zunächst deutlich geringer ist, aufgrund der geringeren Prozesskräfte aber eine Erhöhung der axialen Schnitttiefe ap und damit des Zeitspanvolumens Q möglich ist. Die Analyse von Querschliffen der Werkstückrandzone zeigte bei allen untersuchten Prozessparametern Oberflächendefekte auf der bearbeiteten Werkstückoberfläche. Die geringsten Defekte waren bei der höchsten Schnittgeschwindigkeit vc = 75 m/min zu erkennen, was auf eine Duktilisierung des sprödharten Werkstückwerkstoffs aufgrund eines hohen Temperatureintrags in die Zerspanzone schließen lässt. Ein geringer Zahnvorschub fz = 0,01 mm führte dagegen zu einem spröden Werkstoffverhalten, was das Herausreißen von Verstärkungspartikeln aus der Werkstoffoberfläche und damit die Bildung von Oberflächendefekten begünstigte. Im Ergebnis der experimentellen Untersuchungen wurde ein empirisches Prozessmodell abgeleitet, welches als Hilfestellung für industrielle Fertigungsprozesse bei der Zerspanung partikelverstärkter Titanmatrix- Verbundwerkstoffe dienen soll. Demnach sind für ein hohes verschleißbezogenes Standvolumen niedrige Schnittgeschwindigkeiten bis vc = 50 m/min und ein mittlerer Zahnvorschub fz = 0,03 mm erforderlich. Für eine hohe Oberflächenqualität ist tendenziell ein geringer Zahnvorschub fz erforderlich, wohingegen die Schnittgeschwindigkeit vc hier nur von untergeordneter Bedeutung ist. Bei unbeschichteten Werkzeugen können höhere Oberflächengüten bei mittleren und hohen Zahnvorschüben fz erreicht werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2017) Fräsen partikelverstärkter Titanmatrix-Verbundwerkstoffe*/Milling of particle-reinforced titanium metal matrix composites. wt (wt Werkstattstechnik online) 107 (04) 301–305
Uhlmann, Eckart; Kaulfersch, Felix
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(2017) Fräsen von Titanmatrix-Verbundwerkstoffen. Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 112 (1-2) 29–32
Uhlmann, Eckart; Kaulfersch, Felix
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Zerspanung von Titanmatrix-Verbundwerkstoffen. wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 1/2, S. 45 - 51
Uhlmann, E.; Roeder, M.; Richarz, S.
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Spanbildung und Werkzeugverschleiß bei der Zerspanung partikelverstärkter Titanmatrix-Verbundwerkstoffe. Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Hrsg. Uhlmann, E. Dissertation, Technische Universität Berlin. Stuttgart: Fraunhofer IRB, 2013
Roeder, M.
