Untersuchungen zur Optimierung der Schneidengestalt von VHM-Wendelbohrern für die Bearbeitung von warmfesten Nickelbasislegierungen am Beispiel von Inconel 718
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projekts bestand in der Analyse einer angepassten Freiflächengestaltung für die Bohrbearbeitung von Inconel 718 mit Blick auf den Werkzeugverschleiß. Die Nickelbasislegierung findet in Bereichen Anwendung, in denen besonders hohe Warmfestigkeiten gefordert sind. Dazu zählen die Luft- und Raumfahrt, die chemische Industrie oder der Kraftwerksbau. Im Gegenzug stellen diese Eigenschaften auch hohe Anforderungen an die Zerspanungswerkzeuge, so auch an VHM-Wendelbohrer. Durch die angestrebten Modifikationen der Freifläche mit Nuten bzw. einem Rücksprung der Freifläche war es geplant, den Verschleiß auf den unmittelbaren Bereich hinter der Schneide zu begrenzen und den Standweg der Werkzeuge zu erhöhen. Darüber hinaus bestand das Ziel darin, die Kühlung durch die modifizierte Werkzeuggestalt zu verbessern. Im Rahmen der ersten Förderphase erfolgte die systematische Analyse des Einflusses eines gezielt eingestellten Freiflächenrücksprungs. Nach der Aufnahme der entstehenden mechanischen und thermischen Werkzeugbelastung sowie einer Kontaktzonenanalyse mit dem Referenzwerkzeug fand eine numerisch gestützte Auslegung der modifizierten Werkzeuggestalt statt. In Einsatzversuchen ließen sich dabei schon durch die einfachen Modifikationen signifikante Verbesserungen erzielen und die Standwege im Vergleich zum Referenzwerkzeug insbesondere bei Schnittwerten mit hoher Produktivität mehr als verdoppeln. Das Ziel der zweiten Förderperiode bestand in der Weiterentwicklung des grundlegenden Konzepts der abgesetzten Freifläche durch die gezielte Einbringung geometrischer Strukturen, die dazu dienen, den Kühlschmierstofffluss zu leiten, um die Schneide effizient zu kühlen. Durch detaillierte Analysen wurden zunächst der Kühlschmierstoffstrom sowie die sich einstellenden mechanischen und thermischen Wechselwirkungen an Werkzeugen mit einem Absatz an der Freifläche untersucht, um die Kühlwirkung dieser Modifikation zu evaluieren. Darauf aufbauend erfolgte die zielgerichtete Auslegung komplexer Freiflächenstrukturen mithilfe der Computational Fluid Dynamics Simulation (CFD). Zur experimentellen Analyse erfolgte die Realisierung der modifizierten Werkzeuge durch eine schleiftechnische Bearbeitung der Referenzwerkzeuge. Neben Versuchen zur Ermittlung der Werkzeugstandzeit fanden Analysen der resultierenden thermischen Belastungen mit einem Zweifarbenpyrometer sowie Untersuchungen zum Einfluss auf die Kühlschmierstoffströmung durch Hochgeschwindigkeitsvideoanalysen mit Tracerpartikeln im Fluid statt. Durch diese Analysen ließen sich die simulativ ermittelten Vorteile der komplexen Freiflächenstrukturen validieren. Insgesamt zeigen die erzielten Ergebnisse erhebliche Vorteile der Werkzeugmodifikationen durch die gezielte Verbesserung der KSS-Versorgung der Schneiden. Es ließen sich wahlweise deutlich längere Werkzeugstandwege oder eine höhere Prozessproduktivität realisieren, bei einer gleichzeitigen deutlichen Verbesserung der Güte der erzeugten Bohrungen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Decreasing Drill Damage. ANSYS ADVANTAGE MAGAZINE 1
Oezkaya, E. & Biermann, D.
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Experimental investigations for a simulative optimization of the cutting edge design of twist drills used in the machining of Inconel 718. Procedia Manufacturing, 14, 8-16.
Biermann, Dirk; Bücker, Milan; Tiffe, Marcel & Özkaya, Ekrem
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Der Rand im Fokus. Werkstatt und Betrieb
Biermann, D.; Bücker, M.; Oezkaya, E. & Haase, M.
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Investigations on the effects of an innovative flank face modification for the drilling of nickel-base alloys. Procedia Manufacturing, 18, 20-26.
Bücker, Milan; Oezkaya, Ekrem; Zimon, Mike & Biermann, Dirk
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A thermomechanical analysis leading to a novel flank face design providing longer tool lives for tools used in the drilling of Inconel 718. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 102(9-12), 2977-2992.
Oezkaya, Ekrem; Bücker, Milan; Strodick, Simon & Biermann, Dirk
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Neue Methoden zur Entwicklung und Herstellung von Hochleistungswerkzeugen für die Bohrbearbeitung von Inconel 718. Dissertation, TU Dortmund, ISBN: 978-3-8027-8922-9
Bücker, M.
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A New Flank Face Design Leading to an Improved Process Performance when Drilling High-Temperature Nickel-Base Alloys. SSRN Electronic Journal.
Bücker, Milan; Oezkaya, Ekrem; Hensler, Ulf & Biermann, Dirk
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Simulative analyses focused on the changes in cutting fluid supply of twist drills with a modified flank face geometry. International Journal of Mechanical Sciences, 180, 105650.
Oezkaya, Ekrem; Bücker, Milan & Biermann, Dirk
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A modified tool design for the drilling of high-performance aerospace materials. CIRP Annals, 70(1), 83-86.
Iovkov, I.; Bücker, M. & Biermann, D.
