Einsatzverhalten mikrostrukturierter Werkzeugschneiden mit integrierter Schmiermittelzufuhr

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317539900

Im Rahmen des ersten Forschungszeitraums des Forschungsvorhabens konnten einerseits Erkenntnisse der mikrostrukturabhängen Spanbildung in Folge verschiedener Geometrievariationen erzielt werden. Andererseits war ein Zusammenhang zwischen der simulativ berechneten Druckverteilung und dem empirisch resultierenden Adhäsionsbereich ersichtlich. Ebenso konnte aber auch eine Relation zwischen den induzierten Rissen und maximalen Hauptspannungen identifiziert werden. Dies führt zu der Annahme, dass die mechanische Belastung während der Zerspanung die zulässige positive Hauptspannung der CVD Diamant Dickschicht überschreitet und zum Bruch des Schneidstoffs führt. Die spezifischen Eigenschaften stehen in Korrelation zu den Herstellungsverfahren, Wachstumsraten und Schichtdicken. In Abhängigkeit der Schichtdicke liegt zudem ein adversativer Verlauf zwischen Wärmeleitfähigkeit und zulässige Hauptspannung vor. Demnach ist ein Kompromiss zwischen hoher Wärmeleitung und hoher Zugfestigkeit notwendig, um eine gesteigerte Prozesssicherheit zu ermöglichen. Der zweite Forschungszeitraum dient zur Klassifizierung definierter CVD-Spezifikationen für die Bearbeitung von Ti 6Al 4V und zur Mikrostrukturentwicklung unter Berücksichtigung der spezifischen Schneidstoffeigenschaften. Um die mechanische Belastbarkeit identifizieren zu können, werden Analysen hinsichtlich der maximalen Hauptspannung durchgeführt. Diese erfolgen sowohl mit unstrukturiert als auch mikrostrukturierten Oberflächen, wodurch eine mikrostrukturabhängige Verschiebung der spezifischen Hauptspannung erfasst werden kann. Unter Einsatz der Finiten Elemente Methode (FEM) werden sowohl die prozess- und werkzeugseitigen Bereiche definiert, an denen eine effektive Spanformänderung vorliegt als auch die zugehörigen Druckbelastungen je Mikrostrukturelement bestimmt. Aus den empirischen Erkenntnissen und numerischen Berechnungen erfolgen Prognosen der mikrostruktur- und prozessabhängigen Druckverteilung der Mikrostrukturelemente. Bezugnehmend auf diese Druckverteilungsprognose wird ein analytisches Belastungsmodell entwickelt und innerhalb eines FE-Modells interpoliert. Demnach kann unter Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften des Schneidstoffs eine belastungsgerechte Auslegung der Mikrostrukturgeometrien erfolgen. In Abhängigkeit der jeweiligen CVD Spezifikation resultiert demnach eine individuelle Mikrostrukturkombination, welche sowohl einen positiven Einfluss auf die vorliegenden Werkzeugspannungen als auch auf die Spanbildung aufweisen soll. Dies ermöglicht erstmalig eine Reduktion des plötzlichen Werkzeugversagens als auch der potenziellen Rissinduktionen spröder Werkstoffe unter Berücksichtigung der zulässigen positiven Hauptspannungen beim Einsatz von Mikrostrukturen. Dadurch liegt ein besseres Verständnis der Wechselwirkung zwischen Spanfluss, Mikrostruktur und Werkzeugbelastung hinsichtlich der Titanlegierung Ti-6Al-4V und in Abhängigkeit verschiedener Schneidstoffspezifikationen vor.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen