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Manufacturing and Process Behaviour of Cutting Tools made of Stone

Subject Area Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
Term from 2018 to 2022
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 392377639
 
Final Report Year 2022

Final Report Abstract

Die Arbeitshypothese für das durchgeführte Forschungsvorhaben lautete: „Die Kenntnis der grundlegenden Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften von Gestein und den Trennmechanismen beim Schleifen einerseits sowie andererseits dem Werkzeugeinsatzverhalten erlaubt die Ableitung produktiver und prozesssicherer Zerspanprozesse mit Gestein als Schneidstoff.“ In dem durchgeführten Forschungsprojekt wurden erstmalig die Herstellung und das Einsatzverhalten von Zerspanwerkzeugen aus natürlichen Gesteinen untersucht. Dabei wurden spezifische Eigenschaften wie Härte, Bruchfestigkeit oder Oberflächenrauheit unterschiedlicher Gesteine analysiert und die Eignung der Gesteine als Schneidstoff bewertet. Zusätzlich wurden Werkstofftrennmechanismen der Schleifbearbeitung von Gesteinen sowie die Signifikanz der unterschiedlichen Prozesseinflussgrößen untersucht, um eine wissensbasierte Herstellung von Wendeschneidplatten aus Gestein zu ermöglichen. Im Rahmen dieser Analyse und zur Bewertung des Schleifergebnisses wurden die Freiflächenrauheit, die Schartigkeit und die Schneidkantenmikrogeometrie der hergestellten Wendeschneidplatten herangezogen. Mit den auf dieser Grundlage hergestellten Wendeschneidplatten aus Gestein konnte abschließend eine Drehbearbeitung von Aluminium und Kunststoff durchgeführt und ihr Einsatzverhalten analysiert werden. Die Bewertung des Einsatzverhaltens der Gesteine erfolgte anhand der auftretenden Prozesskräfte, Spanbildung und Oberflächenrauheit. Ausgehend von diesen Untersuchungen bieten natürliche Gesteine das Potential, als alternativer Schneidstoff in der Fertigungstechnik angewendet zu werden. Die Ergebnisse des Vorhabens deuten darauf hin, dass inbesondere feinkörnige quarzreiche Gesteine mit einer hohen kritischen Biegefestigkeit Potential als alternativer Schneidstoff aufweisen. Die im Rahmen des Vorhabens hinsichtlich der Werkstofftrennmechanismen und der signifikanten Prozesseinflussgrößen des Werkzeugschleifens von Gesteinswerkzeugen erlangten Erkenntnisse schaffen dabei die Grundlagen für eine wissenbasierte schleiftechnololgische Herstellung von Zerspanwerkzeugen aus Gestein. Die auf der Grundlage der Ergebnisse des Vorhabens in diesem Zusammenhang erarbeiteten Empfehlungen, Schleifwerkzeuge mit kleineren Schneidstoffkorngrößen bei zugleich höherer Schneidstoffkonzentration zu verwenden und die Vorschubgeschwindigkeit des Schleifprozesses auf das Minimum, das zur Realisierung eines produktiven Prozesses notwendig ist, zu begrenzen, stellen somit Erkentnisse dar, die direkt in die industrielle Praxis überführt werden können. Die Ergebnisse des Vorhabens zeigen außerdem Wege auf, Zerspanwerkzeuge aus Gestein produktiv einzusetzen und ihre Leistungsfähigkeit weiter zu steigern. Hierzu zählen unter anderem der Einsatz von Kühlschmierstoffen, die Verwendung höherer Schnittgeschwindigkeiten und angepasste Schneidkantenmikrogeometrien. Bezüglich des potentiellen Anwendungsspektrums konnten auf der Grundlage der bisherigen Erkenntnisse Aluminiumlegierungen und Kunststoffe als potentielle Anwendungsfelder für Zerspanwerkzeuge aus Gestein identifiziert werden. Die Ergebnisse des durchgeführten Forschungsvorhabens bieten verschiedene Ansatzpunkte für weitere grundlagen- und anwendungsbasierte Forschungsvorhaben. Hierunter fallen beispielsweise die Erarbeitung von Grundlagen zur Einstellung der Schneidkantenmikrogeometrie von Gesteinswerkzeugen, das Heben der weiterhin vorhandenen Potentiale des Schneidstoffs Gestein durch ein tieferes Verständnis ihrer Eigenschaften und eine Verbesserung der schleiftechnologischen Herstellung von Gesteinswerkzeugen sowie einer Optimierung ihrer Einsatzbedingungen. Eine Erweiterung des Einsatzspektrums von Gesteinswerkzeugen sowie die Übertragung von Maßnahmen zur Leistungssteigerung von konventionellen Schneidstoffen auf Gesteinswerkzeuge, wie z. B. das Aufbringen von Beschichtungen, kann ebenfalls als Beispiel für Ansatzpunkte zukünftiger Forschungsvorhaben genannt werden. Die Adressierung einiger dieser Ansätze in zukünftigen bereits bewilligten DFG-Forschungsvorhaben zeigt dabei, dass das in diesem Vorhaben erarbeitete Wissen die Grundlage für eine weitere wissenschaftliche Bearbeitung dieses Themenfeldes geschaffen hat.

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