Simulation von Werkzeugverschleiß bei der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide
Final Report Abstract
Der Schneidstoff cBN wird häufig in der Endbearbeitung von gehärteten Werkstücken eingesetzt. Um die geforderten Oberflächengenauigkeiten zu erreichen erfordert dies allerdings Werkzeuge mit sehr geringem Freiflächenverschleiß. Ein gesteigertes Verständnis über die wirkenden Verschleißmechanismen bei cBN-Wendeschneidplatten ist eine grundlegende Voraussetzung, um diesen Schneidstoff wirtschaftlich in der Fertigung einsetzen zu können. Ein Modell zur Simulation des Werkzeugverschleißes, mit dem gezielt die Wirkung einzelner Einflussgrößen auf den Verschleiß analysiert werden können, kann zu einem besseren Verständnis bzgl. der einzelnen Verschleißursachen und ihren Auswirkungen auf die Verschleißausbildungen am Werkzeug führen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse können dazu genutzt werden, geeignete Maßnahmen zur Verschleißreduzierung abzuleiten. Allerdings ist die Verfügbarkeit geeigneter Verschleißmodelle, die speziell den Anforderungen der Hartfeinbearbeitung gerecht werden, sehr gering. Das übergeordnete Ziel der Arbeit war die Entwicklung eines Simulationswerkzeuges zur qualitativen und quantitativen Verschleißvorhersage von cBN-Schneidwerkzeugen bei der Hartbearbeitung. Durch die drei-dimensionale Modellierung des Hartdrehprozesses war es erstmals möglich die Verschleißvorgänge an der Nebenfreifläche vorherzusagen. Insbesondere dem Verschleiß an der Nebenfreifläche kommt in der Hartbearbeitung eine wichtige Bedeutung zu, da dieser die Bauteilrandzone und die Oberflächenqualitäten maßgeblich beeinflusst. Schwerpunkte der ersten Forschungsperiode waren die Analyse und die zweidimensionale Simulation des Werkzeugverschleißes von unbeschichteten Hartmetall-Platten bei der Bearbeitung von TiAl6V4 und des Werkzeugverschleißes von cBN-Platten bei Bearbeitung von einsatzgehärteten 16MnCr5. In der industriellen Fertigung wird der Hartdrehprozess hauptsächlich im Außenlängsdrehverfahren eingesetzt. Hierbei befindet sich die Nebenschneide des Werkzeuges im Eingriff und ist für die resultierende Bauteiloberflächenqualität primär verantwortlich. Um den daraus resultierenden Verschleiß simulieren zu können, sind die vorangehend entwickelten Methodiken auf den dreidimensionalen Drehprozess übertragen worden. Zunächst sind hierfür umfangreiche Verschleißversuche durchgeführt worden, um die Verschleißausbildung an der Werkzeugschneide von cBN Schneidplatten beim Hartdrehen systematisch zu erforschen. Die experimentelle Analyse konnte aufzeigen, dass auch beim Runddrehen Abrasion und Adhäsion die primären Verschleißmechanismen bei der Hartbearbeitung mit cBN-Schneidteilen darstellen. Für die eigentliche Abtragssimulation ist, wie bereits im zwei-dimensionalen Modell, der Ansatz der gezielten Knotenverschiebung gewählt worden um so die Simulation der bekannten Verschleißformen an Span- und Freifläche zu ermöglichen. Abschließend erfolgte die Verschleißprognose und Evaluierung der entwickelten Verschleißsimulation für den Freiflächen und Spanflächenverschleiß. Für den industriell relevanten Schnittgeschwindigkeitsbereich konnte eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der prognostizierten und der experimentell ermittelten Werkzeugstandzeit erreicht werden. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten fiel die Abweichung zwischen Simulation und Experiment zunehmend größer aus. Die Erweiterung des bestehenden Verschleißraten-Modells um diffusionsbedingtem Verschleiß führte in der Simulation zu einer deutlichen Genauigkeitssteigerung; ein Indiz, dass für hohe Schnittgeschwindigkeiten temperaturaktivierte Verschleißprozesse die primäre Verschleißursache darstellen. Ebenso kommt auch die durchgeführte Sensitivitätsanalyse zu dem Schluss, dass die Temperaturen den Verschleiß von cBN-Schneidteilen maßgeblich beeinflussen. Das Potenzial der Verschleißsimulation zur Prognose des Kolkverschleißes konnte ebenfalls belegt werden. Mit der abschließend durchgeführten Sensitivitätsanalyse wurde deutlich, dass insbesondere temperaturaktivierte Verschleißprozesse das Leistungsverhalten von cBN-Schneidteilen bestimmen.
Publications
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