Combcrack Generation in PVD Coated Hardmetal Milling Inserts

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Abstract

Zur Bearbeitung von Bauteilen ist die Fräsanwendung ein häufig eingesetztes Mittel in der Automobil- und Maschinenbau Branche. Stand der Technik in der Zerspanungsindustrie sind zurzeit WC-Co Hartmetall Wendeschneidplatten, die mit PVD Ti-Al-N Hartstoffschichten beschichtet sind. In der Fräsanwendung bewegt sich ein rotierender Fräskopf, an dem die Wendeschneidplatten befestigt sind, entlang eines fix befestigten Bauteils, welches man zerspanen möchte. Diese Bearbeitungsmethode führt dazu, dass die Schneidkante nicht ständig im Einsatz ist. Daher ist die Fräsbearbeitung durch alternierende mechanische und thermische Belastungen geprägt, welche auf die Schneidkante während des Schneidens und des Leerlaufs wirken. Die thermische Ermüdung in Form von charakteristischen Rissen, sog. Kammrisse, und der Verschleiß sind die Hauptschädigungsmechanismen in beschichteten Wendeschneidplatten. Um Verbesserungen am WC-Co Hartmetall und an der Ti-Al-N Beschichtung vornehmen zu können, ist es notwendig das Wissen über den Verlauf der Schädigung während der gesamten Fräsanwendung besser zu beleuchten. Ziel dieser Arbeit ist es, dass Verständnis der Hauptschädigungsmechanismen Verschleiß und thermische Ermüdung zu erweitern. Dazu wurden die Eigenspannungen, ihre Ausmaße, ihre Entwicklung und Positionen an der Schneide sowohl im Substrat als auch in der Beschichtung über die Einsatzdauer bestimmt. Diese Ergebnisse wurden mit dem dazugehörigen Schädigungsbild an der Wendeschneidplatte verglichen. Spezielle Aufmerksamkeit galt in der Untersuchung von Kammrissen, den Positionen ihres Auftretens und ihr Aussehen. Dazu wurden Querschliffe angefertigt und das Ausmaß der Kammrisse im Volumen in der Wendeschneidplatte beleuchtet. Um den Verlauf der Eigenspannungen während der Werkzeuglebensdauer zu untersuchen, wurde innerhalb dieser Arbeit eine neue Präparationsmethode entwickelt. Diese ermöglicht mittels Röntgendiffraktometerie die Bestimmung der Eigenspannungen sowohl im Substrat als auch in der Schicht auf kleinen Flächen an der Wendeschneidplatte. Die Finite Elemente Simulation ist ein wichtiges Werkzeug zur Abschätzung der auftretenden Temperaturen und Schnittkräfte während des Schneidprozesses. Um ein realistisches Simulationsmodell zu erzeugen, werden gemessene Werkstoffkenndaten als Eingangsdaten benötigt. Auf Grund der fehlenden Datenlage in der Literatur wurden innerhalb dieser Arbeit die thermophysikalischen und thermomechanischen Eigenschaften des Hartmetalls als Funktion der Temperatur bis 800 °C bestimmt (teilweise bis 1000°C). In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Fließgrenze vom Hartmetall während des Fräsens auf Grund der auftretenden Kombination von hohen Temperaturen und hoher mechanischer Belastung überschritten wird. Während des Schneidprozesses dehnt sich die Schneide aus und wird lokal plastifiziert. Wenn die Schneide nicht im Eingriff ist, kommt es zur Kontraktion der Schneide auf Grund der Abkühlung, wobei diese Kontraktion in den zuvor plastifizierten Bereichen der Schneide behindert wird. Dies führt zu einem lokalisierten Aufbau von Zugeigenspannungen an der Schneidkante. Nach 1000 Eingriffen wurden in einer Region mit einer Größe von ca. 1.6 × 0.3 mm² Zugeigenspannungen im Hartmetall detektiert. Diese Region befindet sich 0.4 mm von der Schneidkante entfernt. Die Position der auftretenden Zugeigenspannungen entspricht der Position des Auftretens des ersten Kammrisses als auch der Position, wo die höchsten thermischen und mechanischen Belastungen in der Simulation berechnet werden. Mit Hilfe der entwickelten Messmethoden und den daraus gewonnenen Erkenntnissen können gezielte Verbesserungen in der Weiterentwicklung von Schneidwerkzeugen getätigt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungKammriss Entstehung in PVD beschichteten Hartmetall Wendeschneidplatten in der Fräsanwendung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Pippan, Reinhard, Beurteiler B (intern)
  • Ebner, Reinhold, Beurteiler A (intern)
StatusVeröffentlicht - 2016