Einfluss präparationsinduzierter Eigenspannungen in der Schneidkante von Zerspanwerkzeugen auf das Verschleißverhalten hochharter Schneidstoffe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Lebensdauer von mechanisch zyklisch hochbelasteten Bauteilen lässt sich durch die gezielte Modifikation des Eigenspannungszustands signifikant steigern. Insbesondere der Schneidkanten-bereich von Zerspanwerkzeugen aus hochharten Schneidstoffen, wie polykristalliner Diamant (PKD) und polykristallines kubisches Bornitrid (PcBN), unterliegt während des Zerspanprozesses einer hohen Belastung. Eigenspannungen im Schneidkantenbereich von Zerspanwerkzeugen sind durch klassische Messverfahren wie Röntgendiffraktometrie oder Bohrlochmethode schwierig bis gar nicht zu ermitteln. Dies ist sowohl in der geringen Messfläche begründet als auch in der starken Krümmung im Schneidkantenbereich, was keine idealen Diffraktionsbedingungen ermöglicht. Die Mes-sung von Last- und Eigenspannungen anhand von Peakverschiebungen im Ramanspektrum bietet hier hohes Potenzial, da der Messbereich im unteren Mikrometerbereich liegt und keine optimal ebene Oberfläche notwendig ist. Um absolute Eigenspannungswerte aus Peakverschiebungen im Ramanspektrum zu berechnen, sind Konvertierungsfaktoren erforderlich. Aus der Literatur sind grundsätzlich nur Konvertierungsfaktoren für hydrostatische Lastfälle bekannt die den Lastfall an der Oberfläche nicht abbilden. Um einen ein- oder zweiachsigen Lastfall abbilden zu können, wurde auf einen 4-Punkt-Biegeversuch zurückgegriffen. Ein aus einer Schneidstoffronde herausgetrenntes Segment wurde mit einer Biegelast beaufschlagt und die Lastspannung mittels Röntgendiffraktometrie ermittelt. Im zweiten Schritt wurden am belasteten Segment Ramanmessungen durchgeführt. Durch zusätzliche Messungen am unbelasteten Segment ließ sich ein Konvertierungsfaktor bestimmen. Dieser ermöglicht es, für PKD und PcBN die relativen Verschiebungen der charakteristischen Moden im Ramanspektrum in absolute Spannungswerte umzurechnen. Für PcBN, für das bisher nur Konvertierungsfaktoren für einen hydrostatischen Lastfall aus der Literatur vorlagen, konnte ein Konvertierungsfaktor für einen realistischen biaxialen Lastfall an der Oberfläche ermittelt werden. Bei PKD deckt sich der ermittelte Konvertierungsfaktor mit den Werten aus der Literatur. Zusätzlich wurde die Informationstiefe der Ramanspektroskopie mittels eines Konzepts auf Basis gezielter De-fokussierung untersucht. Durch Schleifen und anschließendes Bürsten lassen sich vergleichbare Schneidkantenmikrogeometrien herstellen. Ortsaufgelöste Raman-Messungen liefern folgende Zusammenhänge: Für gebürstete PcBN-Werkzeuge zeigt die Bürstgeschwindigkeit einen signifikanten Einfluss für beide charakteristischen Moden des kubischen Bornitrids. Eine steigende Bürstgeschwindigkeit führt zu einer Reduktion der zuvor durch das Schleifen eingebrachten Druckeigen-spannungen durch den rein mechanischen Abtrag der eigenspannungsbehafteten Randzone. Für die PKD-Bearbeitung zeigt eine steigende Schnittgeschwindigkeit einen Einfluss hin zu reduzierten Druckeigenspannungen. Die Bearbeitung mittels Laserablation zeigt unter Variation der Pulsfluenz für beide Schneidstoffe einen indifferenten Trend. Bei der PKD-Bearbeitung mittels Nanosekunden-laser kommt es zu einer starken Graphitisierung der Oberfläche, die eine Auswertung hinsichtlich einer späteren Konvertierung in absolute Eigenspannungswerte unmöglich macht. Einsatzuntersuchungen zeigen keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich Schneidkantenausbrüchen oder Frei-flächenverschleiß auf. Dies lässt sich durch den abrasiven Einfluss der Bearbeitung auf die PcBN-Werkzeugrandzone erklären, die, wie beim Bürsten ermittelt, abgetragen wird und anschließend keinen Unterschied mehr zwischen den Werkzeugen mit unterschiedlicher Bearbeitung aufweist. Ein ähnliches Verschleißverhalten kann auch bei geschliffenen PKD-Werkzeugen beobachtet werden. Grundsätzlich ist die Ramanspektroskopie aber dazu geeignet, den Eigenspannungszustand im Schneidkantenbereich zu ermitteln, wie übereinstimmende konvertierte Eigenspannungen an gebürsteten PcBN-Werkzeugen deutlich machen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Influence of cutting edge preparation on the residual stresses in the cutting edge area of PcBN and PCD tools. Vortrag auf der Konferenz FEMS EUROMAT 2023, Frankfurt am Main, 7.September 2023
B. Breidenstein, N. Vogel & B. Bergmann
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Influence of the preparation processes on the residual stresses in PCD and PcBN tools. European Journal of Materials, 4(1).
Breidenstein, Bernd; Vogel, Nils & Bergmann, Benjamin
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Locally resolved stress measurement in the ultra-hard composites polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride. Forschung im Ingenieurwesen, 88(1).
Breidenstein, Bernd & Vogel, Nils
