Zerspanung von Polymerbeton mit geometrisch bestimmter Schneide
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Bearbeitung von Mineralguss stellt aufgrund der hohen Härte der mineralischen Füllstoffe und dem makroskopisch inhomogenen Werkstoffgefüge große Herausforderungen an die spanende Bearbeitung. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Wirkmechanismen zwischen Werkzeug und Werkstückwerkstoff mit besonderem Augenmerk auf die Eignung verschiedener Schneidstoffe sowie die kinematischen Prozessparameter zu untersuchen, um so technologische Grundlagen für eine wirtschaftliche und prozesssichere Zerspanung von Mineralgusswerkstoffen mit geometrisch bestimmter Schneide zu schaffen. Im ersten Schritt wurden verschiedene Werkstoffvarianten hinsichtlich ihrer Zusammensetzung analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass je nach Werkstoff sechs bis sieben unterschiedliche Korngrößen der Klassen Kies (dk,max = 16 mm), Sand (dk = 0,1 mm bis dk = 1 mm) und Mehl (dk < 0,1 mm) eingesetzt werden. Die Feinstfüllstoffe liegen herstellungsbedingt mehrheitlich in gebrochener Form vor. Das Lunkervolumen liegt nach Herstellerangaben bei unter 1 Vol.-% und wurde mittels Computertomographie am Rand einer Werkstoffprobe mit 2,44 Vol.-% ermittelt. Anhand von Screening-Versuchen im kontinuierlichen Schnitt wurden Schnittgeschwindigkeit, Schnitttiefe, Vorschub und Schneidstoff als signifikante Einflussgrößen auf den Werkzeugverschleiß und das Standvolumen identifiziert. Zusätzlich liegt ein wechselseitiger Einfluss durch die beiden Einflussgrößen Schnitttiefe und Vorschub vor. Im Rahmen der durchgeführten FEM-Simulation konnten die zu untersuchenden Schneidengeometrien sowie kinematischen Prozessparameter weiter eingegrenzt und durch Zerspanuntersuchungen auch weitestgehend verifiziert werden. Mittels Hochgeschwindigkeits-Videographie wurde festgestellt, dass die Spanbildung vor allem von der lokalen Konzentration, Zusammensetzung und möglichen Vorschädigung der Füllstoffe aufgrund natürlicher Einschlüsse und dem Kristallwachstum beeinflusst wird. In den nachfolgenden Zerspanuntersuchungen im kontinuierlichen Schnitt konnte gezeigt werden, dass das Anbringen einer Schutzfase die Schneidkante maßgeblich stabilisiert. Das Standvolumen konnte gegenüber einer ungefasten Schneidkante mehr als verdoppelt werden. Bei Zeitspanvolumen Qw > 2,5 cm³/min weist das Mischkorn-PKD mit Korngrößen dk = 2 µm bis dk = 30 µm aufgrund seiner Verschleißfestigkeit signifikant höhere Standzeiten auf als das Feinstmischkorn-PKD mit Korngrößen dk = 0,5 µm bis dk = 1 µm. Als Hauptverschleißmechanismus wurde bei allen gefasten Wendeschneidplatten aus PKD Abrasivverschleiß identifiziert. Die Erkenntnisse aus den Voruntersuchungen im kontinuierlichen Schnitt konnten auf Fräsprozesse übertragen werden. Der vorherrschende Verschleißmechanismus ist auch hier bei allen untersuchten Schneidstoffen Abrasivverschleiß. Werkzeuge aus hoch-cBN-haltigem PcBN und SiC-whiskerverstärkter Aluminiumoxidkeramik sind trotz angepasster Schneidengeometrie nicht prozesssicher einsetzbar. Neben CVD-Diamantdickschicht hat sich vor allem das Mischkorn-PKD als geeigneter Schneidstoff für die Bearbeitung von Mineralguss bewährt. Die Betrachtung der Passivkräfte führt zu dem Schluss, dass die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit beim Fräsen die dynamische Werkzeugbelastung reduziert. Das höchste Standvolumen wurde mit PKD mit einem Wirk-Spanwinkel γne = -25° bei vc = 100 m/min, fz = 0,1 mm und ap = 0,5 mm erreicht. Die geringsten Oberflächenrauheiten liegen mit PKD und CVD-D bei vc = 400 m/min und einem Wirk-Spanwinkel γne = -25° vor, wobei PKD gegenüber CVD-D deutliche Standzeitvorteile besitzt. Die erzeugte Oberflächegüte ist bei beiden Schneidstoffen nahezu mit der eines geschliffenen Referenzbauteils vergleichbar. Außerdem konnte nachgewiesen werden, dass die maximale Korngröße und der Zusatz eines basaltischen Füllstoffs keinen signifikanten Einfluss auf das Einsatzverhalten der Fräswerkzeuge bei unterschiedlichen Mineralgussvarianten haben. Bei einer Schnittgeschwindigkeit vc = 100 m/min ist der Werkzeugverschleiß bei EPUMENT 140/5 und EPUMENT 145B nahezu identisch. Bei vc = 400 m/min ist das erreichte Standvolumen bei EPUMENT 145B etwa 15 % geringer. Möglicherweise können diese Unterschiede jedoch auch auf leicht unterschiedliche Schneidkantenradien der Werkzeuge und Materialinhomogenitäten im Werkstückwerkstoff zurückgeführt werden. Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften unterschiedlich bearbeiteter Bauteile und den Vergleich mit gegossenen Referenzproben konnte nachgewiesen werden, dass eine Beeinflussung der Bauteileigenschaften durch die betrachteten Fertigungsverfahren ausgeschlossen werden kann. Die Substitution herkömmlicher Schleifprozesse durch angepasste Fräsprozesse mit hoher Flexibilität zeigt somit ein hohes Potenzial zu Steigerung der Produktivität bei der Herstellung von Mineralgussbauteilen. Zur umfassenden Bewertung der erzielten Erkenntnisse sind jedoch noch weiterführende wissenschaftliche Analysen der Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu konventionellen Fertigungsprozessen erforderlich.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Mineralguss für Maschinengestelle. Futur 16 (2014) 3, S. 12 - 13
Uhlmann, E.; Kaulfersch, F.
- Zerspanung von Mineralguss mit geometrisch bestimmter Schneide - Herausforderungen und Lösungsansätze. 30. Industriearbeitskreis „Werkzeugbeschichtungen und Schneidstoffe“, Produktionstechnisches Zentrum Berlin, 02.04.2014
Uhlmann, E.; Kaulfersch, F.
- Fräsbearbeitung hochabrasiver Mineralgusswerkstoffe. wt Werkstattstechnik online 106 (2016) 1/2, Springer-VDI-Verlag, S. 14 - 20
Uhlmann, E.; Kaulfersch, F.
- Process behaviour of super-hard cutting materials for machining mineral cast. Procedia CIRP 41 (2016); 48th CIRP Conference on Manufacturing Systems. Elsevier B.V., S. 892 - 897
Uhlmann, E.; Kaulfersch, F.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.12.066)
