Wirkmechanismen und Wechselwirkungen zur Grenzflächen- und Schneidkantenkonditionierung in der Mikrohartbearbeitung

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Tillmann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445127534

Die Bearbeitung von vergüteten Werkzeugstählen mit Mikrowerkzeugen ist ein etablierter Ansatz zur Herstellung von filigranen Strukturen im Werkzeug- und Formenbau. Die hohen Einsatzhärten der Werkstoffe führen aber zu einem hohen Verschleiß und erschweren so eine prozesssichere Bearbeitung mit konventionellen Werkzeugkonzepten. Die geringen Standzeiten können auf die bisher nicht an die besonderen Belastungen angepasste Schneidkantengestalt und PVD-Verschleißschutzschichten zurückgeführt werden.Diese Herausforderungen der Mikrohartbearbeitung sollen erstmalig durch einen skalenübergreifenden Ansatz zu Werkzeugoptimierung in einem bilateralen Vorhaben zwischen dem Institut für Spanende Fertigung (ISF) und dem Lehrstuhl für Werkstofftechnologie (LWT) verstanden und bewältigt werden. Im Fokus der Untersuchungen stehen dabei auf der einen Seite die modellbasierte Modifikation der Schneidkantengestalt von Ultrafeinkornhartmetallwerkzeugen mittels mechanischer Vorbehandlungsvarianten (Nassstrahlspanen und Magnetfinishen) und hochenergetischer plasmagestützter Ätzprozesse. Auf der anderen Seite werden für das Belastungskollektiv erstmalig die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Vorbehandlungen hinsichtlich Eigenspannungszustand, Schneidengestalt und resultierender Oberflächentopographie ermittelt. Diese Erkenntnisse werden übertragen auf den nachgeschalteten Beschichtungsprozess und mit den aus der Schichtsynthese von TiAlSiN und TiAlTaN resultierenden Eigenschaften korreliert. Insbesondere der gewählte Ansatz eines hybriden DC/HiPIMS-Beschichtungsprozesses verspricht aufgrund der erhöhten Ionisation und der daraus resultierenden feineren Gefügestruktur verbesserte Eigenschaften. Im Fokus steht dabei die Untersuchung der Systemgrößen wie Schichthaftung, welche über die Eigenschaften der Interfacemodifikation beeinflusst werden. Ergänzend zur strukturellen Analytik der Substrat-/Schichtverbunde werden abstrahierte Verschleißuntersuchungen mittels Tribometer sowie einer dynamischen Schlagbelastung mittels Impacttester durchgeführt, um ein systematisches Verständnis des Verschleißverhaltens zu entwickeln und die Erkenntnisse aus dem Schädigungsbild in die einzelnen Vorbehandlungsteilschritte zurückzuführen. Das reale Einsatzverhalten der Werkzeuge wird abschließend sowohl für die Schrupp- als auch Schlichtbearbeitung für das Stirnumfangsfräsen von vergütetem ASP®2023 (1.3344) für die modifizierten Schneidkanten und beide Dünnschichtsysteme (TiAlSiN und TiAlTaN) hinsichtlich Oberflächenqualität und Standzeit evaluiert und der Ausgangsbasis unbehandelter TiAlN-beschichteter Werkzeuge gegenübergestellt. Die aus dem Projekt gewonnenen Erkenntnisse tragen dazu bei, die Wechselwirkung der einzelnen Wirkprozesse intensiver zu verstehen, um diese in der Folge zur Abstimmung der Herstellungskette weiterer Werkzeugkonzepte gezielt nutzen zu können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen