Optimizing of PVD coatings for dry cutting applications by FE-simulation
Mechanical Properties of Metallic Materials and their Microstructural Origins
Final Report Abstract
Die Entwicklung von PVD-Hartstoffschichten für die Zerspanung ist aktuell mit einem hohen Kosten- , Zeit- und Ressourcenaufwand verbunden. Dabei ist die Herstellung belastungsangepasster Schichten mit optimierten Schichteigenschaftsprofilen mit einer Vielzahl iterativer Parameterstudien gekennzeichnet. Darüber hinaus ist die Evaluierung der Anwendungseignung mit aufwändigen Zerspanuntersuchungen verbunden. Eine systematische Auslegung applikationspezifischer Schichteigenschaften ist aufgrund fehlender Kenntnisse hinsichtlich des Einflusses der Schichteigenschaften auf das Einsatzverhalten bislang nicht möglich. Das Hauptziel dieses Vorhabens war daher die Generierung grundlegender Erkenntnisse zwischen den Fundamentaleigenschaften der Beschichtung und den Mechanismen des Schichtversagens im Zerspanprozess. Die Erkenntnisse dieses Vorhabens leisten einen Beitrag zum Verständnis der belastungsspezifischen Wirkmechanismen des Schichtversagens bei der Zerspanung des Vergütungsstahls 42CrMo4 mit CrAlN-beschichteten Hartmetallwerkzeugen. Im Rahmen dieses Vorhabens wurden durch die Kooperation der Forschungspartner zum einen Erkenntnisse zum Einfluss der Beschichtungsparameter auf die resultierenden Schichteigenschaften und zum anderen Erkenntnisse zum Einfluss der Schichteigenschaften auf die thermomechanische Belastung und den resultierenden Schichtverschleiß erarbeitet. Die Ermittlung des lokalen thermomechanischen Belastungskollektivs in Abhängigkeit der Schichteigenschaften erfolgte auf Basis zweidimensionaler Spanbildungssimulationen, die mithilfe experimenteller Messdaten validiert wurden. Auf Basis der simulativen Untersuchungen wurden die Haupteinflussgrößen hinsichtlich der äußeren thermomechanischen sowie der induzierten inneren Spannungsbelastung ermittelt, die als Grundlagen zur späteren Prognose des Verschleißverhaltens herangezogen wurden. Beispielweise resultiert durch die Erhöhung des Reibkoeffizienten und der Schichtdicke eine Erhöhung der äußeren thermomechanischen Belastung, während der E-Modul maßgeblich die im Inneren des Werkzeugs eingebrachten Spannungen beeinflusst. Der Einfluss des E-Moduls ist ortsabhängig, sodass bei dessen Auslegung geometrische Aspekte, wie beispielsweise die Schneidkantenverrundung, zu berücksichtigen sind. Hinsichtlich der durchgeführten Modellverschleißversuche konnte aufgezeigt werden, dass sich die Erkenntnisse aufgrund der genannten Unterschiede zum Zerspanprozess nur bedingt übertragen lassen. Zur Modellierung der Wirkzusammenhänge wurde daher ein alternativer hybrider Ansatz unter Verwendung experimenteller und simulativer Erkenntnisse verfolgt. Dabei wurden zunächst als Basis für die Modellierung schichtspezifische Verschleißkarten erarbeitet, die Auskunft über den Einfluss der lokalen thermomechanischen Belastung auf die resultierende lokale Verschleißrate geben. Anschließend erfolgte eine quantitative Modellierung des Verschleißverhaltens durch Überführung der Verschleißkarten in einen mathematischen Zusammenhang mithilfe eines numerischen Optimierungsalgorithmus. Durch die Implementierung des parametrisierten Verschleißratenmodells in die Spanbildungssimulation wurde abschließend der kontinuierliche Materialverlust entlang der Kontaktzone berechnet. Zur Realisierung längerer Prozesszeiten wurde ein mehrstufiger Simulationszyklus verwendet, bei dem die sich aus der thermomechanischen Belastung und den Schichteigenschaften resultierende Änderung der Werkzeuggeometrie für diskrete Zeitintervalle berechnet und anschließend in die Spanbildungssimulation zurückgeführt wird. Hierdurch wurde sowohl der Verschleiß, als auch die damit einhergehende Änderung der Spanbildung und der thermomechanischen Belastung berücksichtigt. Im Rahmen der Validierung der Verschleißsimulation konnte gezeigt werden, dass die Kolktiefe mit hinreichender Genauigkeit prognostiziert werden kann. Hinsichtlich der Kolkbreite waren größere Abweichungen von bis zu 30 % zu verzeichnen, die auf Unsicherheiten bezüglich der zugrunde liegenden Reib- und Materialmodelle zurückzuführen sind.
Publications
- Simulationsbasierte Ermittlung der Einflussgrößen von PVD-Beschichtungen auf die Belastung von Zerspanwerkzeugen. Unter Span – Machining Innovations Network, Ausgabe 2/2015, S 19 – 20
Denkena, B.; Breidenstein, B.; Beblein, S.
- Increase of the Tool Life of Cutting Inserts by Optimizing CrAlN-Based Coating using Cutting Simulation; PSE 2016, Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, 12.-15.09.2016
Pusch, C.; Hoche, H.; Oechsner, M.; Beblein, S.; Breidenstein, B.
- On the thermal insulation effect of PVD-AlCrN- coated cutting tools in continuous turning of AISI 4140. 13th “THE-A-Coatings”, 5-6 October 2017, S. 53-61
Beblein, S.; Breidenstein, B.; Denkena, B.
- Thermomechanical coating load in dependence of fundamental coating properties. 16th CIRP Conference on Modelling of Machining Operations, Procedia CIRP 58, 2017, S. 25 – 30
Beblein, S.; Breidenstein, B.; Denkena, B.; Pusch, C.; Hoche, H.; Oechsner, M.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.procir.2017.03.184) - Optimization of CrAlN PVD Coatings for Dry Machining by FEM Simulation; PSE 2018, Garmisch-Partenkirchen, Deutschland, 17.-21.09.2018
Pusch, C.; Hoche, H.; Oechsner, M.; Beblein, S.; Breidenstein, B.
