Anpassung der Schneidkante eines Bohrers für den Hochleistungszerspanprozess durch das Strahlen zur Reduzierung der Prozessbelastung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Klaus D. Weinert
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung von 2006 bis 2008
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 19247581

• Erstellungsjahr: 2008

Zusammenfassung der Projektergebnisse

2.1 Allgemeinverständliche Zusammenfassung Das spanende Fertigungsverfahren Bohren ist für die Produktherstellung von großer Bedeutung; dabei stehen die Prozesssicherheit sowie die Einhaltung geforderter Bauteilqualitäten im Vordergrund. Bei der Zerspanung stellt die Spantrennung vom Werkstück den zentralen Vorgang dar. Aufgrund der Energieumsetzung im Schneidkantenbereich während des Prozesses nimmt die dort eingestellte mikroskopische Gestaltung Einfluss auf die Verschleißbeständigkeit und folglich auf das Einsatzverhalten der Zerspanwerkzeuge. Bedingt durch große Spanungsquerschnitte sind für die Hochleistungszerspanung (HPC) hohe Zeitspanvolumina, gesteigerte Schnittwerte sowie große Zerspankräfte charakteristisch. Als Folge steigen die Anforderungen an die Werkzeugfestigkeit sowie die Schneidkantenstabilität [Frie02]. Somit müssen bei der Auslegung des Schneidwerkstoffs, der Beschichtung und der Werkzeugform spezielle Belastungen und Anforderungen berücksichtigt werden, um den Bohrer für die Zerspanung mit gesteigerter Schnittgeschwindigkeit und erhöhtem Vorschub zu qualifizieren und so wirtschaftliche Standzeiten erreichen zu können. Bedingt durch die hohen Anforderungen bei der Hochleistungszerspanung ist die Schneidkantengestalt von Vollhartmetall-Bohrwerkzeugen mithilfe der Kantenpräparation abgestimmt worden. So konnte bedingt durch eine bessere Schichthaftung und eine höhere Kantenstabilität eine Optimierung hinsichtlich des Verschleißverhaltens sowie der Prozessstabilität im Vergleich zu geschliffenen Werkzeugen erreicht werden. Die Auswirkungen einer veränderten Schneidkantengestalt auf die Spanbildung und das thermomechanische Belastungskollektiv sind mit dem Einsatz am ISF entwickelten Versuchsmethodiken ermittelt worden. Die Analyse der thermomechanischen Belastungen hat den Bereich der Querschneide als den höchstbelasteten Bereich identifiziert. Aufgrund der iterativen Vorgehensweise zeigte das Einsatzverhalten der unterschiedlich präparierten Werkzeuge bei der Durchführung der Bohrversuche unter Berücksichtigung erhöhter Schnittwerte, dass mit zunehmender Kantenverrundung die Standzeit der Bohrwerkzeuge trotz größeren mechanischer und thermischer Belastungen sowie der verstärkten Bildung von Neuhärtungszonen in der Spanbildungszone erhöht werden kann. So erfolgte die Optimierung der Kantengestalt nicht hinsichtlich geringerer thermomechanischer Prozessbelastungen, sondern mit dem Ziel einer höheren Verschleißbeständigkeit basierend auf einer größeren Kantenstabilität durch die Anwendung der Kantenpräparation zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Bohrwerkzeuge unter Hochleistungszerspanbedingungen. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Die Kantenpräparation der VHM-Bohrwerkzeuge hat eine Verbesserung des Verschleißverhaltens im Vergleich zu geschliffenen Werkzeugen bei der Zerspanung eines normalisierten Kohlenstoffstahls aufgezeigt. Das Herausarbeiten der Bedeutung der Kantenpräparation für das Verschleißverhalten ermöglicht zudem die Übertragung auf Bohrprozesse unter konventionellen Bedingungen. Dabei ist anhand von Einsatzversuchen zu untersuchen, inwiefern die Schneidkante für eine Verbesserung angepasst werden muss. So ist es möglich, die Anwendung der Schneidkantenpräparation zur Bearbeitung von Werkstoffen unterschiedlicher Eigenschaften gezielt einzustellen. Für die Erweiterung des Prozesswissens im Bereich der Hochleistungszerspanung unter Berücksichtigung der mikroskopischen Kantengestalt ist die Übertragung der Erkenntnisse auf kleinere Bohrerdurchmesser und andere spanende Fertigungsverfahren denkbar. So sind grundlegende Erkenntnisse zum Spanbildungsvorgang im Bereich der sekundären Scherzone, an der Stau- und Trennzone notwendig. Des Weiteren ist ein günstiges Prozessverhalten aufgrund der hohen Belastungen nur realisierbar, wenn die Stabilität und somit die Verschleißbeständigkeit der Schneidkante sowie die haftung zwischen Hartmetall und Beschichtung gegeben sind. Neben der Gestaltung der Schneidkante selbst ist auch die Abstimmung mit der Beschichtung auf den Prozess von Interesse, um höhere Standzeiten und folglich geringere Werkzeugkosten zu erreichen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• (Vortrag) 3. Dortmunder Schleifseminar: Einfluss der Kantenpräparation auf das Einsatzverhalten von Zerspanungswerkzeugen. 25. September 2008, Dortmund.
  
  
• (Vortrag) Fachgespräch zwischen Industrie und Hochschule ¿ Zerspanen im modernen Produktionsprozess: Leistungssteigerung bei Zerspanwerkzeugen durch Kantenpräparation. 26.-27. Februar 2008, Dortmund.
  
  
• (Vortrag) GrindTec Forum 2008: Strahlspanen verbessert die Schneidkantengestalt von Werkzeugen. 14. März 2008, Augsburg.
  
  
• (Vortrag) VDI-Fachausschuss Schneidstoffanwendung: Bedeutung der Schneidkantengestalt für das Hochleistungsbohren. 10. Oktober 2007, Dortmund.
  
  
• Biermann, D.; Terwey, I.: Cutting Edge Preparation to Improve Drilling Tools for HPC Processes. 3rd CIRP International Conference High Performance Cutting (HCP) 12.-13. Juni 2008, Dublin, Irland.
  
  
• Biermann, D.; Terwey, I.: Cutting Edge Preparation to Improve Drilling Tools for HPC Processes. Proceedings of the 3rd CIRP International Conference High Performance Cutting (HPC) 12.-13. Juni 2008, Dublin, Irland, Edts.: G. Byrne und G. O'Donnel, ISBN 978-1-905254-32-3, S. 509-516.
  
  
• Biermann, D.; Terwey, I.: Einfluss der Schneidkantengestalt ¿ Thermomechanische Belastung von VHM-Bohrwerkzeugen unter Hochleistungsbedingungen. ZWF ¿ Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 103 (2008) 7-8, S. 2-5.
  
  
• Biermann, D.; Terwey, I.: Improvements in High Performance Cutting Due to Cutting Edge Design. 35th International Conference on Metallurgical Coatings and Thin Films 28. April ¿ 2. Mai 2008, San Diego, USA.
  
  
• Biermann, D.; Weinert, K.; Terwey, I.; Felderhoff, F.; Heilmann, M.; Sieben, B.: Moderne Stahlzerspanung. WB ¿ Werkstatt und Betrieb, 141 (2008) 5, S. 37-40.
  
  
• Kötter, D.: Herstellung von Schneidkantenverrundungen und deren Einfluss auf das Einsatzverhalten von Zerspanwerkzeugen. Dissertation Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2006.
  
  
• Weinert, K.; Biermann, D.; Terwey, I.: Hochleistungszerspanung ¿ Einfluss der Schneidkantenverrundung. ZWF ¿ Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb, 102 (2007) 9, S. 506-509.