Charakterisierung und Modellierung des Verschleißverhaltens beschichteter Hartmetallwerkzeuge bei der Drehbearbeitung eines schwer zerspanbaren Stahlwerkstoffes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Dirk Biermann
• Fachliche Zuordnung: Spanende und abtragende Fertigungstechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468249651

Die nachhaltige und ökonomische Zukunftsausrichtung spanender Fertigungsverfahren erfordert werkzeugseitig eine signifikante Reduktion kritischer bzw. seltener Ressourcen wie Wolfram und Kobalt sowie der zur Herstellung benötigten Energie. Um dieses Ziel für Hartmetallwerkzeuge (HM WZ) ohne Beeinträchtigung der Betriebseigenschaften zu realisieren, kommen komplexe Hochleistungsbeschichtungen in Multilayerbauweise zum Einsatz, sodass sich der Verschleißfort-schritt verzögert und somit die Werkzeuglebensdauer erhöht. Darüber hinaus finden Kühlschmier-stoff (KSS)-Systeme Anwendung, die neben der Reibung die Temperaturen am HM-WZ reduzieren und somit ebenfalls deren Verschleißverhalten verbessern. Für eine effiziente Auslegung der an-wendungsspezifischen Werkzeugkonzepte, z.B. in Bezug auf deren Werkzeuggestalt, haben sich numerische Spanbildungssimulationen zu einem leistungsfähigen Instrument entwickelt. Um zukünftig ebenfalls die Beschichtungskonzepte von HM-WZ simulationsgestützt auslegen zu können, sind realitätsnahe Modelle des Verschleißfortschritts notwendig. Für die Parametrierung und Validierung beschichtungsspezifischer Verschleißratenmodelle ist die Kenntnis des thermomechanischen Belastungskollektivs von zentraler Bedeutung. Aufgrund der eingeschränkten Zugänglichkeit stellt die In-situ-Erfassung von Temperaturgradienten am HM-WZ während der Zerspanung, insbesondere unter Einsatz von KSS, jedoch eine große Herausforderung dar, woraus sich der Bedarf nach neuartigen Temperaturmessmethoden ableitet. Um eine genauere Ermittlung der relevanten Temperaturen zu ermöglichen, ist es gelungen, im Vorgängerprojekt einen innovativen Versuchsstand zu entwickeln, auf dem sich mithilfe eines Quotienten-Pyrometers inkl. Kollimator, beim orthogonalen Drehen ohne KSS eine räumliche Auflösung von 50 µm realisieren lässt. Dieser Versuchsstand soll im Rahmen des beantragten Fortsetzungsprojekts erweitert werden, um zudem den Einfluss eines KSS auf das Temperaturfeld an multilayerbeschichteten HM-WZ sowie den daraus resultierenden Werkzeugverschleiß charakterisieren zu können. Dazu ist es geplant, in den Versuchsstand ein Sperrluftsystem zu implementieren, das den KSS zwischen Werkzeug und Messtechnik kurzzeitig entfernt, um die Temperaturmessung in der Kontaktzone zu ermöglichen. Durch die Aufnahme von Ex-situ-Messdaten, bezüglich der Schneidengestalt, erfolgt eine hochgenaue Beschreibung des Initialzustands der HM-WZ sowie ein Monitoring des Verschleißfortschritts über die gesamte Werkzeugstandzeit. Die ermittelten Messdaten werden für die Kalibrierung der Modelle der Verschleißraten verwendet, die eine individuelle Modifikation in Abhängigkeit der KSS-Strategie sowie der Schichteigenschaften ermöglicht. Die auf Basis dieser Verschleißratenmodelle durchgeführten Spanbildungssimulationen sind zur Vorhersage des Werkzeugverschleißes mithilfe experimenteller Daten aus den Drehversuchen zu validieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen