Randzoneneigenschaften laserpräparierter Schneidkanten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Übergeordnetes Ziel des Forschungsvorhabens war es, das quantitative Verständnis der Auswirkungen des thermisch-basierten Laser-Materialabtrags auf Hartmetall-Werkzeuge zu erweitern, um geeignete Laser- und Prozessparameter für die Schneidkantenpräparation zu identifizieren und dadurch die Werkzeugstandzeit zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten, dass geeignete Laser- und Prozessparameter die Oberflächenrauheit reduzieren und zu Randzoneneigenschaften führen, die für den Werkzeugeinsatz vorteilhafter sind als Eigenschaften, die bei ungeeigneten Parametern entstehen. Maßgeblich für die aus der Laserbearbeitung resultierende Oberfläche und Randzone ist die nach der Absorption der Laserpulse im Hartmetall verbleibende, akkumulierte Wärme. Je geringer diese Wärmemenge ist, desto weniger Schmelze und Oberflächendefekte (Risse und Poren) entstehen und desto besser ist die Rauheit. Zudem werden die Randzoneneigenschaften weniger stark unerwünscht beeinflusst. Analysen des fluenzabhängigen Materialabtrags im Nano- bzw. Pikosekundenpulsbereich dokumentierten, dass der effizienteste Materialabtrag und somit die größte Abtragsrate pro Watt zur geringsten Rauheit führte. Die Laserablation von Hartmetall sollte mit dieser optimalen Fluenz erfolgen. Ps-Pulse und kleinere Pulsüberlappe (Optimum: PO = 50 %) verbesserten im Vergleich zu ns-Pulsen sowie größeren Pulsüberlappungen die Rauheit. Darüber hinaus beeinflussen ps-Pulse und kleinere Pulsüberlappe die Randzone weniger. Für deren Eigenschaften ist die Pulsdauer der entscheidende Faktor. Während bei ps-Pulsen mit Ausnahme der Eigenspannungen an der Oberfläche keine Beeinflussung der Randzoneneigenschaften festgestellt wurde, führte die Laserbearbeitung mit ns-Pulsen in Abhängigkeit der weiteren Prozessparameter zu erheblichen Beeinflussungen der Randzoneneigenschaften. So wurden Anreicherungen von Kobalt und Sauerstoff in der Randzone festgestellt, Phasenumwandlungen des WC in WC1-x und W2C sowie eine im Vergleich zur Kernhärte bis in eine Tiefe von ca. 10 µm unterhalb der Oberfläche geringere Härte. In der Oberfläche des Hartmetalls fand durch die Laserbearbeitung unabhängig von der Pulsdauer eine Umkehrung des Eigenspannungszustands von Druck vor der Bearbeitung zu Zug nach der Laserbearbeitung statt. Zur lasergestützten Präparation von Schneidkanten an Wendeschneidplatten wurden die an planen Proben (Freiflächen der Wendeschneidplatten) gewonnenen Erkenntnisse auf die Schneidkantenpräparation übertragen. Zur Schneidkantenpräparation wurde eine Strategie entwickelt, die es ermöglicht symmetrische Verrundungen mit Schneidkantenradien von bis zu 60 µm definiert, gleichmäßig und reproduzierbar zu erzeugen. Am Beispiel des Außenlängs- Runddrehen wurde untersucht, wie sich die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften lasergestützt präparierter Schneiden auf das Einsatzverhalten der Werkzeuge auswirken. Es wurden signifikante Unterschiede im Werkzeugverschleiß festgestellt. Laser- und Prozessparameter, die das Hartmetall während der Präparation nur geringfügig beeinflussen, resultieren in erheblich geringerem Verschleiß als solche Parameter, die zu einer stärker ausgeprägten Oberflächen- und Randzonenbeeinflussung führen. Pulsdauern im Pikosekundenbereich verringerten die Verschleißmarkenbreiten am festgelegten Einsatzende (Schnittweg von 366 m) im Vergleich zu ns-Pulsen erheblich (ca. 66 %). Ebenso verbesserten kleinere Pulsüberlappe und geringere Pulsfolgefrequenzen das Einsatzverhalten. Einen unerwartet großen Einfluss auf den Verschleiß hat die Breite des zur Schneidkantenpräparation genutzten Scanfeldes und somit die Größe der an Span- und Freifläche laserbearbeiteten Flächen. Zur Schneidkantenpräparation wurden zwei unterschiedliche Feldbreiten w genutzt: w = 0,06 mm und w = 1 mm. Die größere Feldbreite führte zu einem erheblich höheren Verschleiß als die kleinere Feldbreite. Im Rahmen des Projektes konnten Wirkzusammenhänge zwischen den zur Schneidkantenpräparation eingesetzten Laser- und Prozessparametern, den resultierenden Oberflächenund Randzoneneigenschaften laserbearbeiteter Hartmetalle und dem Einsatzverhalten der Werkzeuge ermittelt werden. Dadurch ist es möglich, Schneidkanten verbessert lasergestützt zu präparieren. Allerdings besteht weiterer Forschungsbedarf, um die Lasertechnologie z. B. durch eine geeignete Nachbearbeitung der Schneiden neben den mechanischen Verfahren als gängiges Verfahren zur Schneidkantenpräparation zu etablieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Kurzpulslaserbearbeitung unterschiedlicher Hartmetallsorten - Identifikation geeigneter Parameter zur gezielten Präparation von Schneidkanten. ZWF - Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 113/7-8 (2018): S. 453-457
S. Gutwein, B. Kirsch, T. Herrmann, H. Derouach, J.C. Aurich
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Effizienzanalyse bei der Kurzpulslaserbearbeitung - Konstante Fluenz bei unterschiedlicher Pulsfolgefrequenz mittels Anpassung der Laserleistung. wt Werkstattstechnik online 109/5 (2019): S. 394-398
S. Gutwein, B. Kirsch, T. Herrmann, Y. Kang, J.C. Aurich
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Kurzpulslaserunterstützte Schneidkantenpräparation - Wirtschaftliche Verrundung der Werkzeugschneide mittels 2D-Laserbearbeitung. VDI-Z Integrierte Produktion 161/6 (2019): S. 38-41
S. Gutwein, B. Kirsch, T. Herrmann, Y. Kang, J.C. Aurich
