Einfluss der Schneidkantenverrundung auf die Zerspankräfte bei variierenden Spanungsquerschnitten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Zur Prozessüberwachung und –auslegung sowie zur Kompensation der Werkzeugabdrängung bei der Endkonturbearbeitung in der Zerspanung kommen Prozesskraftmodelle zum Einsatz, die kürzere Anlernphasen der Systeme und die Vorauslegung mittels FEM-Spanbildungsmodellen ermöglichen. Trotz zahlreicher Untersuchungen zur Beschreibung und Modellierung der Prozesskräfte bei der spanenden Bearbeitung finden die dabei entwickelten Modelle entweder durch ihren eingeschränkten Gültigkeitsbereich oder ihre hohe Komplexität keinen breiten Einsatz in der Praxis. Hauptziel des Forschungsvorhabens war daher die Entwicklung eines übergreifenden Kraftmodells auf Basis der Ansätze von Jivishov und Köhler unter Berücksichtigung der Werkzeugattribute sowie der Werkstoffeigenschaften für die Drehbearbeitung. Anhand von experimentellen Zerspanuntersuchungen wurden hierbei die Einflüsse der Schnittgeschwindigkeit, der Beschichtung, des Spanwinkels und der Schneidkantenverrundung für den Werkstoff C45N ermittelt und ein Prozesskraftmodell mit geringer mathematischer Komplexität für eine einfache Handhabung entwickelt. Für eine breite Anwendung wurde das entwickelte Modell anschließend für weitere Werkstoffe und Werkstoffgruppen erweitert. Mittels des neuen Modells können die Prozesskräfte beim Außenlängsdrehen über die Größe des Spanungsquerschnitts und der Prozessstellgrößen sowie gegebener Werkstoffkenngrößen mit ausreichender Genauigkeit über einen weiten Gültigkeitsbereich prognostiziert werden. Zur Anwendung des Modells bei unterschiedlichen Werkstoffen zeigte sich eine sehr gute Korrelation der Prozesskräfte mit dem sogenannten Spannungsfaktor B, dem Quotienten aus dem Wärmeeindringkoeffizienten b und der Zugfestigkeit Rm. Hinsichtlich der Schnittgeschwindigkeit vc konnten die aus der Literatur bekannten Zusammenhänge bestätigt werden und diese mittels eines exponentiellen Faktors in Verbindung mit der effektiven Spanungsdicke und der effektiven Spanungsbreite modelliert werden. Der Einfluss des Spanwinkels γ wurde über einen linearen Faktor in das Modell implementiert. Bei den Untersuchungen unterschiedlicher Beschichtungen konnte gezeigt werden, dass keine signifikanten Einflüsse der Beschichtungseigenschaften auf die Prozesskräfte vorliegen. Dies widerspricht teilweise den Aussagen der Literatur. Die Vielzahl der Zerspanuntersuchungen mit acht unterschiedlichen Beschichtungen belegt jedoch eindeutig die gefundenen Zusammenhänge. Somit konnte das neue Modell für einen weiten Bereich industriell relevanter Beschichtungen erweitert und validiert werden. Zur Berücksichtigung der Schneidkantenverrundung wurde in das Modell ein Faktor auf Basis der Ergebnisse von Fleischer et al. [2009] implementiert. Hierbei zeigten sich Skalierungseffekte bei Spanungsdicken im Bereich der Schneidkantenverrundung, die den Gültigkeitsbereich des Faktors zur Berücksichtigung der Schneidkantenverrundung bei kleinen Spanungsdicken begrenzen. Für eine tiefergehende Analyse dieser Skalierungseffekte sind weitere Untersuchung der Spanbildung und der plasto-mechanischen Vorgänge in der Scherzone mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen beim Hobeln erforderlich. Ein Vergleich mit gängigen Prozesskraftmodellen aus der Literatur zeigt jedoch eine Überlegenheit des neu entwickelten Modells. Aufgrund der Berücksichtigung wesentlicher Einflussgrößen auf die Prozesskräfte mit hinreichender Genauigkeit über einen weiten Gültigkeitsbereich bei gleichzeitig einfacher Anwendung und Berechnung der Parameter wurde somit das Ziel eines übergreifenden Modells für die Drehbearbeitung erreicht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2016): Einsatzverhalten und Belastungskollektiv verrundeter Zerspanwerkzeuge aus Hartmetall. 35. Hagener Symposium, 24. - 25.11.2016, Hagen, 37 Seiten
B. Denkena, B. Bergmann, B. Richter
- (2016): Einsatzverhalten und Belastungskollektiv verrundeter Zerspanwerkzeuge aus Hartmetall. Hagener Symposium 2016: Zerspanung von und mit pulvermetallurgischen Werkstoffen - Pulvermetallurgie in Wissenschaft und Praxis, Band 32, S. 255 - 280
B. Denkena, B. Bergmann, B. Richter
- (2017) Einsatzverhalten verrundeter Hartmetallwerkzeuge.
Maschinenbau – Das Schweizer Industriemagazin 46 (6) 8-17
B. Denkena, B. Bergmann, B. Richter
