Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen mit rotierenden Wendeschneidplatten
Final Report Abstract
Die Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen, wie beispielsweise hochwarmfesten Titan- und Nickelbasislegierungen, stellt aufgrund der hohen Warmfestigkeit und geringen Wärmeleitfähigkeit der Werkstoffe hohe Anforderungen an die Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide. Aus der hohen thermischen und mechanischen Werkzeugbelastung folgen geringe Bearbeitungsgeschwindigkeiten sowie kurze Werkzeugstandzeiten Ein Ansatz zur Steigerung der Produktivität bei der Bearbeitung dieser Werkstoffgruppe stellt die Verwendung rotierender Wendeschneidplatten (WSP) dar. Während bei fremdgetriebenen Werkzeugen mit rotierender WSP (self propelled rotary tool - SPRT) die notwendige Rotationsenergie durch die Anstellung der WSP gegenüber dem Werkstück direkt aus dem Zerspanprozess gewonnen wird, erfolgt der Antrieb bei einem fremdgetriebenen System (actively driven rotary tool - ADRT) extern, beispielsweise über eine Frässpindel. Um den Einfluss geometrischer und kinematischer Prozessparameter auf das Einsatzverhalten selbst- und fremdgetriebener Werkzeuge mit rotierender runder Wendeschneidplatte zu untersuchen, wurden aufbauend auf den Erkenntnissen des ersten Projektzeitraums Zerspanuntersuchungen mit dem SPRT vervollständigt sowie ein ADRT entwickelt, welches aufgrund der werkzeugseitig nicht vorhandenen Lagereinheit eine deutlich höhere dynamische Steifigkeit und damit erhöhte Prozessstabilität gewährleistet. Zur Verifizierungen des Einsatzverhaltens des ADRT wurden Standzeituntersuchungen und Kraftmessungen durchgeführt. Dabei wurden neben den Schnittparametern Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe auch die Rotationsrichtung und -geschwindigkeit des ADRT sowie der Kipp- und Anstellwinkel variiert. Die Zerspanuntersuchungen des ADRT wurden anschließend mit einer konventionellen feststehenden Schneide sowie dem SPRT verglichen. Es konnte festgestellt werden, dass sich bei der Zerspanung von Hochleistungswerkstoffen sowohl mit selbstgetriebenen, als auch mit fremdgetriebenen Werkzeugsystemen deutlich höhere Standvolumen erreichen lassen. Aufgrund der komplexen Wirkzusammenhänge war dabei die Prozessstabilität hochgradig abhängig von der Wahl der Prozessparameter. Während sich das SPRT eher für geringe Spanungsquerschnitte und niedrige Schnittgeschwindigkeiten eignete, zeigte die Zerspanung mit dem ADRT Vorteile vor allem bei höheren Spanungsquerschnitten und Schnittgeschwindigkeiten. Ferner führte die höhere dynamische Steifigkeit des ADRT bei der Bearbeitung im Gegenlauf mit errechneter Werkzeugdrehzahl zu deutlich besseren und reproduzierbaren Oberflächengüten. Der Einsatz des ADRT im Gleichlauf resultierte zunächst gegenüber dem SPRT in einem Anstieg der Zerspankraft, welcher sich aus der zusätzlich in den Prozess eingebrachten Antriebsleistung und der daraus resultierenden höheren Reibung zwischen Span und Spanfläche der WSP ableiten lies. Mit der Umkehr der Rotationsrichtung und Verwendung der errechneten Werkzeugdrehzahl konnte eine teilweise signifikante Reduzierung der Zerspankraft beobachtet werden. Bei der Untersuchung der Variation der Eingriffswinkel des ADRT auf die Zerspankraft wurde festgestellt, dass bei Überschreitung eines Eingriffswinkels von 29° ein signifikanter Anstieg der Zerspankraft vorliegt, der zu einer Erhöhung der mechanischen und thermischen Belastung des Werkzeugs führen kann. Hinsichtlich der Randzonenbeeinflussung konnte während der Projektlaufzeit gezeigt werden, dass die Aufhärtung der oberflächennahen Randzone bei der Bearbeitung mit selbst- und fremdgetriebenen Werkzeugen gegenüber feststehenden Werkzeugen sowohl ein höheres Anfangsniveau besitzt, als auch tiefer in die Werkstückoberfläche reicht. Eine Beeinflussung möglicher nachgeschalteter Fertigungsschritte war somit nicht auszuschließen. Durch die hohe Anzahl an Freiheitsgraden ermöglicht das ADRT jedoch die prozessspezifische Anpassung sämtlicher Schnittparameter sowie der Drehrichtung, der Werkzeugdrehzahl und der Eingriffswinkel. Die Steigerung des Zeitspanvolumens sowie die hohe Zeitersparnis durch den Wegfall von Nebenzeiten zum manuellen Wechsel des aktiven Schneidenbereichs zeigen bei den untersuchten selbst- und fremdgetriebenen Werkzeugsysteme mit rotierender WSP ein hohes Potential zur Steigerung der Produktivität moderner Fertigungsprozesse.
Publications
- Rotation macht die Schneiden leistungsfähiger. Werkstatt und Betrieb 140 (2007) 5, S. 32 - 36
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- Zerspanung mit rotierender Wendeschneidplatte. Industrie-Arbeitskreis CVD-Diamantwerkzeuge, 27.09.2007
Herter, S.
- Quasi-Static Chip Formation of Intermetallic Titanium Aluminides. Production Engineering - Research and Development 3 (2009) 3, S. 261 - 270
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- Smarte Werkzeuge für harte Werkstoffe. Futur 14 (2012) 1, S. 10 - 11
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- Zerspanung von Titanmatrix- Verbundwerkstoffen. wt Werkstattstechnik online 102 (2012) 1/2, S. 45 - 51
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- Cutting of Nickel-based Superalloys with Rotating Indexble Inserts. Advanced Materials Research 769 (2013), S. 116 - 123
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