Development of a simulation based method for a load dependent optimisation of cemented carbide tools for nickel-base alloys - Variable micro geometry along the cutting edge
Final Report Abstract
Im Rahmen des durchgeführten Forschungsvorhabens konnte mithilfe der Spanbildungssimulation der Einfluss der Schneidkantenverrundung auf der Verschleißverhalten von Bohrund Fräswerkzeugen bewertet werden. Als zentrales Ergebnis ist hervorzuheben, dass die Werkzeugstandzeit durch die Verlagerung des Scheitelpunktes zur Freifläche und der Verkürzung des Schneidenabschnitts der Freifläche erhöht werden kann. Aufgrund des verkleinerten Werkstückkontaktes mit der Freifläche wird die Reibungswärme und folglich die Werkzeugtemperatur reduziert. Hieraus resultiert ein gegenüber symmetrisch verrundeten Schneiden verminderter Werkzeugverschleiß. Die durch die Anwendung der Simulation gewonnenen Erkenntnisse konnten in experimentellen Untersuchungen zum Bohren und Fräsen von Inconel 718 bestätigt werden. Bei der Durchrührung des Vorhabens mussten verschiedene Herausforderungen bewältigt werden. Die Quantifizierung des Werkzeugverschleißes erfolgt bislang durch die Vermessung der Verschleißmarkenbreite. Die Anwendung dieser Methode für verrundete Schneidkanten ist jedoch nicht zielführend. Durch die Verrundung ist es nicht möglich eine Bezugskante eindeutig zu definieren, von der aus die Verschleißmarke gemessen werden kann. Es war daher notwendig, eine alternative Vermessungsmethode zu nutzen. Hierfür entwickelte die Fa. Alicona eine volumetrische Verschleißanalyse der initialen gegenüber der verschlissenen Schneide. Das Messen des Werkzeugverschleißes wurde durch teilweise stark ausgeprägte Adhäsionen des Werkstoffs erschwert. Diese Adhäsionen führten immer wieder zu einem diskontinuierlichen Abtrag an der Schneide, wodurch Ausbrüche resultierten. Eine weitere Herausforderung bestand in der Präparation der Fräswerkzeuge. Der Drall der Werkzeuge führt bei der Präparation mithilfe des Druckluft-Nassstrahlspanens dazu, dass sich die Lage des Schneidkeils im Freistrahl kontinuierlich ändert. Aufgrund der lokal unterschiedlichen Strahlbedingungen war eine aufwendige Anpassung der Prozessführung notwendig, um die Zielpräparation zu erreichen. Im Anschluss erfolgte das Beschichten der Bohr- und Fräswerkzeuge. Dabei wurden Verschleißschutzschichten aus TiAlN mit einer Schichtdicke von = 2…5 µm aufgebracht. Der eingesetzte PVD-Beschichtungsvorgang hatte jedoch zur Folge, dass das gestrahlte asymmetrische Schneidkantenprofil hin zu einem symmetrischen Profil verändert wurde. Die in den experimentellen Untersuchungen eingesetzten Schneidkanten wiesen daher gegenüber der Optimierung eine mitunter veränderte Mikrogestalt auf. Die gezielte Schneidkantenpräparation in Kombination mit einer anschließenden Beschichtung stellt eine große Herausforderung dar. Für die Einstellung einer spezifischen Schneidkantenverrundung ist die Beherrschung der gesamten Prozesskette notwendig. Dies wird durch den Einfluss des Beschichtungsvorgangs auf präparierte Schneiden mit asymmetrischen Profil deutlich. In zukünftigen Untersuchungen ist es zweckdienlich die Einstellung einer spezifischen Schneidkantenverrundung über die gesamte Prozesskette zu analysieren, um sowohl den Präparationsprozess als auch den Beschichtungsvorgang aufeinander abstimmen zu können. Darüber hinaus lässt sich der Ansatz für die Schneidkantenoptimierung erweitern. Der berechnete Werkzeugverschleiß kann für eine Aktualisierung des Werkzeugmodells genutzt werden. Durch eine Sequenz von Spanbildungssimulationen kann so der fortschreitende Werkzeugverschleiß simuliert und beurteilt werden.
Publications
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(2019) Investigation on cutting edge preparation and FEM assisted optimization of the cutting edge micro shape for machining of nickel-base alloy. Prod. Eng. Res. Devel. (Production Engineering) 13 (3-4) 459–467
Tiffe, M.; Aßmuth, R.; Saelzer, J.; Biermann, D.
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Simulation based analysis and optimization of the cutting edge micro shape for machining of nickel-base alloys. 11th CIRP International Conference on Intelligent Computation in Manufacturing Engineering (ICME), 19 - 21 July 2017, Ischia, Naples, Italy
Aßmuth, R.; Biermann, D.; Hess, S.; Tiffe, M.
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Cutting edge optimization – Simulation based optimization of cemented carbide cutting tools. Materials Chain International Conference 2018, 12.-14. November 2018, Bochum
Aßmuth, R.; Tiffe, M.
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Simulation based analysis and optimisation of the cutting edge micro shape for machining of nickel-base alloys. Procedia CIRP, 67 (2018), S. 284-289
Biermann, D.; Aßmuth, R.; Hess, S.; Tiffe, M.
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Simulationsbasierte Werkzeug- und Prozessauslegung für Hochleistungswerkstoffe. 13. Schmalkalder Werkzeugtagung, 14./15. November 2018, Schmalkalden
Biermann, D.; Aßmuth, R.; Bücker, M.; Özkaya, E.; Tiffe, M.
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Optimization of the cutting edge micro geometry using FEM simulation. CIRP Winter Meetings, 20.-22. February 2019, Paris
Zabel, A.; Aßmuth, R.; Tiffe, M.
