Ultrapräzisionszerspanung von Graphitwerkstoffen unter Verwendung von monokristallinen Diamantwerkzeugen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Eckart Uhlmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 471319837

Moderne Graphitluftlager unterliegen höchsten Anforderungen bzgl. Formgenauigkeiten GF und Oberflächengüten. Graphitlager verfügen über gute Gleit-, Trocken und Notlaufeigenschaften, können entsprechend hohe Steifigkeiten erreichen und weisen hohe Ermüdungsfestigkeiten sowie eine gute Formbeständigkeit auf, wodurch eine immer größer werdende Nachfrage für den industriellen Einsatz besteht. Die Bearbeitung von Graphit ist jedoch durch ein hohes Ausbruchverhalten sowie einen erheblichen Werkzeugverschleiß gekennzeichnet. Um Luftlager aus Graphit hinsichtlich der hohen Anforderungen fertigen zu können, stellt die Ultrapräzisions(UP)-Zerspanung ein geeignetes Fertigungsverfahren dar. Dabei ermöglicht das UP-Drehen die Fertigung von Strukturen mit Oberflächenrauheitskennwerten im einstelligen Nanometerbereich und Formgenauigkeiten GF im Submikrometerbereich. Die konventionell eingesetzten Schneidstoffe aus polykristallinen Diamanten (PKD) und polykristalline Chemical-Vapour-Deposition(CVD)-Diamanten weisen deutlich größere Radiuswelligkeiten WR, Schneidkantenrundungen rβ und maximale Schartigkeiten Rs,max als monokristalline Diamanten (MKD) auf, weshalb nur der Einsatz von MKD-Werkzeugen möglich ist. Aus den spezifischen geometrischen Eigenschaften der MKD-Werkzeuge wie z. B. der Schneidkantenrundung rβ resultieren differente Eingriffsbedingungen, welche die Spannungszustände sowie Krafteinflüsse und damit auch das Ausbruchverhalten maßgeblich verändern. Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die Identifikation der Trennmechanismen und des Ausbruchverhaltens bei der Graphitzerspanung mittels MKD-Werkzeuge. Dabei soll ein transkristalliner Zerspanprozess erzielt werden, um den Ausbruchgrad ξA sowie den Werkzeugverschleiß zu verringern. Zur Realisierung dieses Vorhabens werden zunächst die eingesetzten Graphitwerkstoffe charakterisiert sowie die grundlegenden Trennmechanismen ermittelt. Anschließend werden detaillierte Verschleißuntersuchungen der MKD-Werkzeuge durchgeführt. Zur Analyse des Ausbruchgrads ξA und des Werkzeugverschleißes werden Zerspanuntersuchungen mittels des UP-Drehens umgesetzt und ein allgemeingültiges Erklärungsmodell entwickelt, welches die Zerspanmechanismen beschreibt. Darauf aufbauend werden partikelbasierte Simulationen durchgeführt, welche die Temperaturen ϑ und die Druckbelastungen im Zerspanprozess hinreichend genau abbilden. Hieraus wird ein Simulationsmodell entwickelt, womit der Zeitpunkt des einsetzenden tribochemischen Verschleißes bestimmt werden kann. Das Ergebnis des Forschungsprojektes liefert detaillierte Kenntnisse zum Trennvorgang und zum Ausbruchverhalten von Graphitwerkstoffen bei Einsatz von MKD-Werkzeugen bei reduziertem Werkzeugverschleiß vor.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen