Process and tool development of single lip drills due to an optimisation of the circumferential shape and surface topography
Final Report Abstract
Im Rahmen des durchgeführten Erkenntnistransfer-Projekts wurde eine ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette zur Herstellung von Einlippentiefbohrwerkzeugen durch die beteiligten Kooperationspartner realisiert. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass jeder der beteiligten Projektpartner umfangreiche Erkenntnisse zur Anpassung und Optimierung bestehender eigener Prozessketten gewinnen konnte. Im Detail war es möglich, neue Präparationsmethoden zur Gestaltoptimierung von Einlippenbohrern zu validieren. Durch die Gestaltoptimierung verbundenen Einflüsse auf die Mikro- und Makrogestalt der Werkzeuge und die Oberflächentopographien sowohl der Spannut als auch der Bohrerumfangsflächen besteht das Potenzial, kurz- und mittelfristige Verbesserungen der Leistungsfähigkeiten von Einlippentiefbohrwerkzeugen zu erreichen. Die gewonnen Erkenntnisse konnten durch die durchgeführten wissenschaftlichen Analysen der Wirkzusammenhänge der drei untersuchten Optimierungsmaßnahmen zur Schneidkantenpräparation, dem Stirnübergang zwischen Stirnfläche und Führungsleiste sowie der Beeinflussung der Führungsleistentopographie und Gestalt für jeden der beteiligten Partner bestimmt werden. Für den beteiligten Werkzeughersteller TBT lässt sich somit eine Aussage über die mögliche Übertragbarkeit in aktuelle Prozessketten zur Herstellung von Einlippenbohrern treffen. Im Fokus der Optimierung sollte hierbei die Betrachtung des Stirnübergangs stehen, da dieser einen signifikanten Einfluss auf das Prozessergebnis bei der Zerspanung des Vergütungsstahl 50CrMo4 hat. Neben dieser vielversprechenden Optimierungsmaßnahme konnte im Rahmen des Projektes das neuentwickelte Schneidkantenpräparationsverfahren [Tool]Prep zur Präparation von Tiefbohrwerkzeugen identifiziert werden. Die Gründe für die Favorisierung dieser Maßnahmen liegen zum einen in der einfachen Implementierung in bestehende Prozessketten und zum anderen in der Erzeugung von hohen Bohrungsgüten. Neben dem primären Nutzen für die Fa. TBT konnten auch die übrigen beteiligten Unternehmen einen nennenswerten Nutzen aus diesen Erkenntnissen gewinnen. Die Arbeiten zur Beeinflussung der Schichthaftung und der Oberflächentopographien im unbeschichteten und beschichteten Zustand bieten ebenfalls für alle beteiligten Unternehmen einen Erkenntnisgewinn, der in weiteren Entwicklungen und Forschungsvorhaben Verwendung finden wird. Insbesondere Analyse der Beeinflussung der Schichthaftungseigenschaften in Bezug auf die erzeugten Oberflächentopographien stellt eine gute Basis dar, um die gewonnenen Ergebnisse weiter zu vertiefen und auf andere Werkzeuge und Prozesse zu übertragen. Bezüglich des Einsatzverhaltens der untersuchten Werkzeuge ergab sich ein positiver Einfluss auf die erzeugbare Bohrungsgüte, die durch die Verrundung des Stirnübergangs erreicht wurde. Signifikante Verschleißerscheinungen im Bereich der Führungsleiste konnten selbst bei einem Standweg lf = 68 m nicht festgestellt werden, sodass auf eine Doppelbeschichtung im Rahmen des Projektes verzichtet wurde. Die Steigerung der Standzeit zeigte insbesondere für die beiden Projektpartner TBT und RB, dass die Werkzeuge durch eine gezielte Optimierung deutlich leistungsfähiger sind. Diese Erkenntnis lässt sich auf Basis des Projekts auf andere Werkzeugtypen und andere Prozesse zur Herstellung von Tiefbohrungen übertragen. Aus Sicht des ISF konnten durch die Ergebnisse wertvolle Erkenntnisse und neue Ideen für weiterführende Forschungsvorhaben gewonnen werden. Hierzu zählen die Entwicklung des neuartigen Schneidkantenpräparatonprozesses, durch den sich der als unklar zu bezeichnendem Einfluss auf die erzeugbare Bohrungsgüte und das Verschleißverhalten durch eine Verrundung der Nebenschneide sowie der exponierten Schneidenecke vermeiden ließ. Der Prozess lieferte gute Ergebnisse bei einer hohen Reproduzierbarkeit, wenngleich eine nähere Untersuchung des Verfahrens durch eine Steigerung der Materialabtrags im Bereich der Innenschneide zu untersuchen ist. Die Idee der Beeinflussung des Kühlmittelvolumenstroms sollte hinsichtlich einer möglichen Verbesserung der Schmier- und Benetzungsfähigkeit der Führungsleisten zur Reduzierung von Verschleißerscheinungen und adhäsiven Materialablagerungen bei der Bearbeitung höherfester Stahlwerkstoffe untersucht werden. Aufgrund von unzureichender Vergrößerung und Auflösung der IHVA konnten diese Ansätze leider nicht validiert werden. Neben den gewonnenen Erkenntnissen zur Verbesserung des Einsatzverhaltens durch die gezielte Beeinflussung durch lokales Polierschleifen, lassen sich anhand der durchgeführten Untersuchungen weitere Forschungspotenziale ableiten. Aus den Einsatzversuchen mit den präparierten und beschichteten Werkzeugen ergibt sich, dass die Oberflächentopographie der Spannut einen bedeutenden Einfluss auf die Spanbildung ausübt. So wird der erzeugte Span, je nach Oberflächengüte, stärker umgeformt und entlang der Vorschubachse in Richtung des Bohrungsgrundes gelenkt, wodurch es zu Beschädigungen am Spannutrücken des Werkzeuges kommt. Daher sollten die Wirkmechanismen des neuentwickelten Schneidkantenpräparationsprozesses sowie die Erweiterung der Spanbildungsanalysen bei unterschiedlich ausgeprägten Spannuttopographien Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten sein. Hierbei lassen sich insbesondere auch die Untersuchungen bei Wendelbohrwerkzeugen in Betracht ziehen, da diese besonderen Ansprüche hinsichtlich des Spanabtransports bei tiefen Bohrungen stellen.
Publications
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Oberflächenfeinstbearbeitung zur Leistungssteigerung von Einlippentiefbohrwerkzeuge, Diamond Business, 69 (2018) 1, S. 72-76, ISSN: 1619-5558
Biermann, D.; Bathe, T.; Spaetling, F.
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Developments in pre- and post-treatment of thin films and their influences on surface topography and coating adhesion strength of cutting tools, Prod. Eng. Res. Devel, 13 (2019) 6, S. 751-759
Biermann, D.; Bathe, T.
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Gezielte Beeinflussung der Werkzeuggestalt und Schichttopographie durch lokales Polierschleifen, Diamond Business, 70 (2019) 4, S. 46-52, ISSN 1619-5558
Biermann, D.; Bathe, T., Spaetling, F.
