Belastungsoptimierte Auslegung von Schneidkantenmikrogeometrien für industrielle Prozesse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Einsatzverhalten von Zerspanwerkzeugen wird wesentlich durch die Schneidkantenmikrogeometrie beeinflusst und durch eine Anpassung dieser bietet sich ein erhebliches Potential zur Erhöhung der Produktivität und der Prozesssicherheit. Hierzu ist es unerlässlich, die Schneidkantenmikrogeometrie an den zu bearbeitenden Werkstoff und die vorliegenden Belastungen im Einsatz anzupassen. Der Transfer von Grundlagenerkenntnissen auf den Anwendungsfall Innenlängsdrehen und das kinematisch identische Aufbohren bietet erhebliches Potential zur Steigerung der Werkzeugleistungsfähigkeit durch die Verwendung belastungsoptimierter Schneidkantenmikrogeometrien. Für eine breite industrielle Abdeckung der Randbedingungen dieser Prozesse wurden zunächst Kenntnisse über die relevanten Einflussgrößen (z.B. Bürstzeit tB, Zustellung aB und Bürstwinkel φB) auf den Bürstprozess zu Schneidkantenmikrogeometrie u ermittelt. Auf Basis dessen wurde nachfolgend ein Auslegungsmodell zur Präparation der Schneidkantenmikrogeometrie entwickelt und erprobt. Die Verfügbarkeit des erweiterten Prozessverständnisses zum Bürstspanen ermöglicht eine effiziente und flexible Fertigung beliebiger Schneidkantenmikrogeometrien. Des Weiteren wurden die Belastungsgrenzen der Schicht-Substrat-Systeme bei Beschichtungen für Wendeschneidplatten analysiert. Mittels in-situ- Kraftmessungen am Hobelversuchsprüfstand wurden die mechanischen Belastungen im Schneidkeil in Abhängigkeit der Prozessstellgrößen beim Zerspanen ermittelt. Hieraus lassen sich die versagensrelevanten Tangentialspannungen im Schneidkeil und die Grenztangentialspannung τα,grenz = 320 MPa, die zu Schneidkantenmikroausbrüchen führen, ermitteln. In Kombination mit den gewonnenen Erkenntnissen hinsichtlich der thermischen Belastungen am Schneidkeil beim Innendrehen, wurde ein Simulationsmodell der Belastungen im Schneidkeil aufgebaut. Durch die Kenntnis des thermo-mechanischen Belastungskollektivs beim Innendrehen und das neu entwickelte Modell zur gezielten Einstellung der Schneidkantenmikrogeometrie können die Werkzeuge nun optimal ausgelegt werden. Durch weiterführende Untersuchungen unter industrienahen Einsatzbedingungen konnte der positive Effekt der belastungsoptimierten Auslegung der Schneidkantenmikrogeometrien sowohl auf das Versagenskriterium der Wendeschneidplatten (Schneidkantenausbrüche) sowie auf das Verschleißverhalten nachgewiesen werden. Hierbei wurden werkstoff- und prozessübergreifend Steigerungen der Werkzeugstandzeiten und eine signifikante Reduzierung von Schneidkantenausbrüchen ermittelt. Dennoch besteht weiterer Forschungsbedarf hinsichtlich des Spanbruchverhaltens beim Innendrehen, da dies bei langspanenden Werkstoffen und langen Bahnlängen und somit Eingriffszeiten der Werkzeuge zu stochastisch auftretenden Belastungsspitzen führen kann. Dies ist auf die beengten Platzverhältnisse beim Innendrehen und die daraus resultierenden Herausforderungen beim Abtransport der Späne zurückzuführen. Das Ansammeln von Spänen in der Schneidzone kann die Beschichtung der Werkzeuge beschädigen und zu spontan auftretenden Schneidkantenausbrüchen führen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Produktivitätssteigerung durch belastungsoptimierte Schneidkantenmikrogeometrien. VDI-Z, Band 164 (2022), Nr. 6, 24-26
Denkena, B.; Bergmann, B. & Kraeft, M.
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Modeling of stresses at the cutting wedge in the interrupted cut for the design of the cutting edge microgeometry. Procedia CIRP, 117, 299-304.
Denkena, Berend; Bergmann, Benjamin; Picker, Tobias & Kraeft, Malte
