Simulationsgestützte Auslegung verschleißarmer Hartmetallwerkzeuge für die spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Forschungsvorhabens war die Erarbeitung eines verstiefenden Verständnisses bezüglich des Verschleißverhaltens von beschichteten Hartmetall- und Cermet-Wendeschneidplatten für das Drehen. Experimentelle Untersuchungen wurden mit der Zielsetzung durchgeführt, Prozessergebnis- und Prozessgrößen zum Abgleich mit FE-Simulationen des Spanbildungsvorgangs und verschleißbedingte Veränderungen der Werkzeuggeometrie zur Modellierung des Werkzeugverschleißes zu bestimmen. Eingesetzt wurden hierzu Werkzeuge mit variierenden Substratwerkstoffen und Schichtsystemen. Als Standzeitkriterium wurde eine maximale Verschleißmarkenbreite von 200 µm festgelegt. Die experimentellen Ergebnisse belegen, dass sowohl bei den Wendeschneidplatten auf Basis von Wolframkarbid als auch den Cermet-Werkzeugen die Leistungsfähigkeit durch Schichtsysteme gesteigert werden kann. Während die unbeschichteten Hartmetall-Wendeschneidplatten einen Standweg von 0,18 km aufwiesen, variierte die zu erzielende Eingriffslänge der Schichtsysteme zwischen 6,4 km und 20,8 km. Der Einfluss des Schichtsystems auf die Leistungsfähigkeit ist bei dem Hartmetall- höher zu bewerten als bei den Cermetwerkzeugen. Die geringsten Kolktiefen wurden bei den unbeschichteten Wendeschneidplatten auf Basis von Wolframkarbid festgestellt, während die unbeschichteten Cermet- Werkzeuge die größten Kolktiefen aufwiesen. Hinsichtlich der beschichteten Wendeschneidplatten zeigten die Werkzeuge mit einer Al2O3-Zwischenschicht die geringsten Kolktiefen. Die maximalen Kolkbreiten wurden nach dem Erreichen des Standzeitkriteriums bei den unbeschichteten Wendeschneidplatten festgestellt. Die Kolkbreiten der beschichteten Wendeschneidplatten sind geringer und variieren in einem Bereich von ca. 80 µm. Im Hinblick auf die Analyse von Werkzeugen mit geringem Verschleißfortschritt zeigte sich, dass es zur Auslegung verschleißarmer Werkzeuge nicht ausreicht, lediglich das numerisch ermittelte Belastungskollektiv mit experimentell bestimmten Verschleißerscheinungen zu verknüpfen. Experimentell beobachtete Unterschiede hinsichtlich des Verschleißverhaltens konnten anhand des thermo-mechanischen Belastungskollektives nicht vollständig erklärt werden. Eine realitätsgetreue Analyse erfordert u. a. die Implementierung der Schichthaftung, der Adhäsionsneigung spezifischer Schichtwerkstoffe, der Aufbauschneidenbildung sowie Oberflächenausprägungen der Schichten in die FE Simulationen. Dennoch können allgemeine Aussagen zum Einfluss definierter Schichtmaterialien auf die Werkzeugbelastung abgeleitet werden. Somit können Schichtsysteme hinsichtlich der Minimierung des thermomechanischen Belastungskollektives konzipiert, deren Einsatz- und Verschleißverhalten jedoch nicht vollständig bewertet bzw. prognostiziert werden. FE-Simulationen belegen sowohl beim Hartmetall- als auch beim Cermetsubstrat eine reduzierte thermische Belastung des Schneidkeils infolge der Schichtsysteme. Al2O3 besitzt innerhalb der eingesetzten Schichtmaterialien die größte thermische Isolationswirkung, TiCN die geringste. Neben den thermischen Eigenschaften des Werkstoffs ist die Schichtdicke der bestimmende Faktor für die thermische Isolation des Schneidkeils. Im Vergleich zweier Simulationen mit einer TiAlN-Schichtdicke von 2 µm bzw. 7 µm konnte eine wesentliche Reduzierung der thermischen Belastung durch die Steigerung der Schichtdicke nachgewiesen werden. Der Verlauf der von-Mises Vergleichsspannungen ist bei allen Werkzeugtypen nahezu identisch. Die maximale Vergleichsspannung tritt im Bereich der Freifläche auf. Mit zunehmendem Abstand zur Schneidkante sinkt die Vergleichsspannung aufgrund geringer Belastungen aus Materialabnahme und Spanabfluss. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Werkzeug und Werkstück bzw. zwischen Span und Spanfläche konnte als wesentlicher Faktor für das Vorliegen der Abrasion als primäre Verschleißursache ermittelt werden. Adhäsiver Verschleiß trat bei den untersuchten Werkzeugtypen insbesondere in den Bereichen höchster Temperatur und geringer Relativgeschwindigkeit auf.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Leistungsfähigkeit beschichteter Zerspanwerkzeuge - FE-Simulationen zur Beurteilung des Einsatz- und Verschleißverhaltens. VDI-Z I Special Werkzeuge (2011)
Aurich, J.C., Eyrisch T., Mayer P., Müller R., Zimmermann M.
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Verschleiß- und Einsatzverhalten von Schneidstoffen, FE- Simulation des Spanbildungsvorgangs unter Berücksichtigung des Verschleißfortschritts. wt Werkstattstechnik online 101 (2011) 1-2: S. 64-72
Aurich, J.C.; Zimmermann, M.; Eyrisch, T.
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Virtual reality animation of chip formation during turning. In: Modeling of Machining Operations, 12-13 Mai 2011, Sintra, Portugal, S. 203-211
Yang, X.; Marx, T.; Zimmermann, M.; Hagen, H.; Aurich, J.C.
