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12.10.2020

Optimierte Schneidkantenpräparation mit neuartigen nachgiebigen Diamantpolierwerkzeugen

Von Berend Denkena, Alexander Krödel, Maria Mauke, Markus Hein

Für die Schneidkantenpräparation finden vor allem das Strahlen, Bürsten und das Schleppschleifen industrielle Anwendung. Mit diesen Methoden ist jedoch eine wirtschaftliche Herstellung lokal angepasster, asymmetrischer Schneidkantengeometrien an Zerspanwerkzeugen mit komplizierter Schneidengeometrie nicht erreichbar [1]. Ein Lösungsansatz ist die Verwendung von nachgiebigen Diamantpolierwerkzeugen. In der Prozesskette zur Herstellung von Zerspanwerkzeugen könnten diese direkt in der Werkzeugschleifmaschine eingesetzt werden. In vorangegangenen Untersuchungen konnte bereits das Potential von konventionellen nachgiebigen Diamantpolierwerkzeugen als Schneidkantenpräparationswerkzeug aufgezeigt werden [2].

Ausgangssituation und Vorgehensweise

In vielen Fällen stellt die spanende Fertigung mit geometrisch bestimmter Schneide einen der letzten Bearbeitungsschritte innerhalb der Wertschöpfungskette von Zerspanwerkzeugen dar. Die Qualität des Werkzeugs ist dabei ein entscheidender Faktor auf dem Weg zu einem bestmöglichen Zerspanprozess, der sich durch eine hohe Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit auszeichnet. Neben der Beschichtung, der Schichtnachbehandlung sowie der Auslegung der Makrogeometrie erzielt eine vorherige Anpassung der Schneidkantenmikrogestalt einen positiven Einfluss auf das Einsatzverhalten der Zerspanwerkzeuge [3,4]. Das verbesserte Einsatzverhalten kann auf die Beeinflussung der mechanischen und thermischen Spannungsbelastung im Schneidkeil durch die Änderung der Schneidkantenabschnitte Sα und Sγ zurückgeführt werden [5, 6]. Dabei sind Sα und Sγ definiert als die Strecken von der Schneidkante einer ideal scharfen Schneidkante bis zum Ablösepunkt der Tangenten an der Span- bzw. Freiflache. Eine Verkippung der Verrundung wird durch den Quotienten aus Sγ und Sα angegeben und als Formfaktor K bezeichnet.

Abbildung 1: Schneidkantenpräparation mit nachgiebigen Diamantpolierwerkzeug (© IFW)

Symmetrische Schneidkantenverrundungen haben einen Formfaktor von K = 1, asymmetrische Schneidkantenverrundungen mit einer Verkippung zur Freifläche K < 1. Dementsprechend haben zur Spanfläche verkippte Verrundungen einen Formfaktor K > 1. Asymmetrische Schneidkantenverrundungen zeigen je nach Zerspanprozess das größte Potential [7]. Bei optimal ausgelegter, asymmetrischer Verrundung kann die mögliche Standzeitverlängerung 70-80 Prozent betragen, während mit einer symmetrischen Verrundung häufig nur rund 50 Prozent erreicht werden [7]. Neben der Erhöhung der Standzeit kann auch die Qualität der erzeugten Oberflächen durch eine gezielt ausgelegte asymmetrische Verrundung verbessert werden [8]. Mit den zurzeit industriell eingesetzten Schneidkantenpräparationsmethoden ist die Herstellung von lokal angepassten, asymmetrischen Schneidkantengeometrien an Zerspanwerkzeugen mit komplizierter Schneidgeometrie, wie beispielsweise Vollhartmetallwerkzeugen mit Drall und Schneidkantenfasen, nicht erreichbar [1]. Innerhalb eines Forschungsprojektes am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Uni Hannover (IFW) wurden in Zusammenarbeit mit der Firma EVE Ernst Vetter GmbH aus diesem Grund die zugrundeliegenden Wirkmechanismen beim Einsatz von konventionellen nachgiebigen Diamantpolierwerkzeugen für die Schneidkantenpräparation untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass mit der neuen Technologie eine hohe Flexibilität hinsichtlich der erzielbaren Mikrogeometrie erreicht wird und eine reproduzierbare Schneidkantenpräparation möglich ist. Infolgedessen wird derzeit ein neuartiges Diamantpolierwerkzeugkonzept mit angepasstem Werkzeugaufbau zur Optimierung des Einsatzverhaltens untersucht und die entsprechenden Ergebnisse in diesem Artikel präsentiert.

Versuchstechnik

Das neue Polierwerkzeugkonzept unterscheidet sich von den konventionellen Diamantpolierwerkzeugen durch einen zweistufigen Präparationsprozess. Der Aufbau des Polierwerkzeugs unterteilt sich in zwei Lamellenebenen, die sich in der Bindung und Körnung unterscheiden.

Abbildung 2: Konventionelles und 2-stufiges Polierwerkzeug (© IFW)

Wie in Abb. 2 gezeigt, besitzt die vordere Lamellenebene eine gröbere Körnung und erzielt damit einen höheren Abtrag an der Schneidkante. Die hintere Lammellenebene realisiert durch die feinere Körnung auf der Schneidkante eine bessere Oberflächengüte in Form einer signifikant niedrigeren Rauheit. Durch die Anordnung der Lamellenebenen wird ein hoher Abtrag sowie eine geringe Oberflächenrauheit an der Schneidkante ermöglicht.

Die folgenden Untersuchungen fokussieren sich auf den Einfluss der Körnung und Bindung des neuen Polierwerkzeugkonzepts auf das resultierende Präparationsergebnis. Dazu wurde das neue Werkzeugkonzept zum Präparieren von unbeschichteten Hartmetallwendeschneidplatten vom Typ SNMA120412-RK5 mit einem Keilwinkel von β = 90° eingesetzt. Im Ausgangszustand verfügen die Wendeschneidplatten über eine scharfe Schneidkante mit einer Schneidkantenverrundung von Sα = Sγ < 5 µm. Die Untersuchungen wurden auf einem 5-Achs-CNC-Fräszentrum des Typs Ultrasonic 10 durchgeführt. Die erzielte Schneidkantenverrundung sowie die Rauheitskennwerte Ra und Rz wurden mit dem optischen Rauheitsmessgerät Alicona Infinite Focus G5 bestimmt. Die Diamantwerkzeuge wurden beim Parallelpolieren eingesetzt. Hierbei ist die Rotationsachse des Polierwerkzeugs parallel zur bearbeitenden Schneide.

Abbildung 3: Versuchsaufbau und Kinematik des Polierprozesses (© IFW)

Die entsprechende Prozesskinematik ist in Abb. 3 dargestellt. Der Kippwinkel ζ beschreibt beim Parallelpolieren die Neigung des Polierwerkzeugs zur Frei- bzw. Spanfläche. Bei einem Kippwinkel ζ > 0° wird die Bearbeitungsfläche auf der Freifläche vergrößert und auf der Spanfläche verkleinert. Gegensätzlich verhält es sich bei einem Kippwinkel ζ < 0°. Der Anstellwinkel η beschreibt die Neigung des Polierwerkzeugs in Bezug auf eine horizontale Ausrichtung des Werkzeugschafts. Die eingesetzten Polierwerkzeuge besitzen einen Durchmesser von 24 mm und bestehen aus flexiblen Kunststofflamellen mit eingebetteten Diamantkörnern. Ein Lamellenpaar besitzt eine Breite von ca. 1,9 mm. Die Körnung der gröberen Lamelleneben beträgt 30 µm und die der feineren Ebene 4 µm. Die Bindung ist bei beiden Lamellenebenen identisch.

Einsatzverhalten des 2-stufigen Polierwerkzeugs

Um die Produktivität der Diamantwerkzeuge zu bestimmen, wurde die Standzeit des neuen Polierwerkzeugkonzepts untersucht. Dabei wurden die Prozessparameter konstant gehalten und die Diamantwerkzeuge beim Parallelpolieren eingesetzt. Zur Bestimmung der Standzeit wurden mit einem Polierwerkzeug 34 Schneidkanten mit einer Länge von jeweils 12 mm präpariert. Die Zielparameter der Untersuchungen sind die erreichbare Verrundung an Frei- und Spanfläche, beschrieben durch die Schneidkantenabschnitte Sα und Sγ . Zur Erfassung des Zustands der Diamantwerkzeuge wurde ein Lichtmikroskop verwendet.

Abbildung 4: Standzeituntersuchung des neuen Polierwerkzeugkonzepts (© IFW)

Für die Durchführung der Untersuchungen wurden eine Schnittgeschwindigkeit von vc = 440 m/min, eine Vorschubgeschwindigkeit von vf = 60 mm/min, eine Zustellung von ap = 0,3 mm, ein Kippwinkel von ζ = 0° und ein Anstellwinkel von η = 0° gewählt. Für diese Parameter konnte eine Schneidkantenverrundung mit Sα /Sγ = 27/54 μm erstellt werden (Abb. 4, links). Dadurch ergibt sich eine asymmetrische Verrundung mit einer Verkippung zur Spanfläche und einem Formfaktor von Κ = 2. Bedingt durch die Drehrichtung des Polierwerkzeuges treffen die Lamellenpaare zunächst auf die Spanfläche der Wendeschneidplatte, polieren diese spanflächenseitig und treffen dann auf die Freifläche, auf der die Kontaktzeit kürzer ist. Hierdurch wird mehr Material an der Spanfläche abgetragen und der Schneidkantenabschnitt Sγ ist größer. Die Ergebnisse zeigen, dass eine asymmetrische Verrundung mit einem Formfaktor von K = 2 mit hoher Wiederholgenauigkeit erstellt werden kann. Bei längerem Einsatz der Diamantwerkzeuge zeigen die Poliererspitzen eine Verschleißfläche Av (Abb. 4, rechts). Die Größe der Fläche nimmt mit weiteren Versuchen zu.

Aufgrund des Verschleißes des Polierwerkzeuges nehmen die Schneidkantenabschnitte Sα und Sγ mit zunehmender Einsatzzeit leicht ab. Bei den Standzeituntersuchungen wurde ebenfalls der Werkzeugdurchmesser durch einen direkt in der Werkzeugmaschine integrierten Lasersensor nach jedem Versuch gemessen. Durch den Verschleiß der Poliererspitzen nimmt auch der Radius des Grundkörpers im Verlauf der Versuchsreihen um 1 Prozent leicht ab (Abb. 4). Der kurzweilige Anstieg des Polierradius ist auf Materialablösungen an den Poliererspitzen zurückzuführen [2]. Die Radiusabnahme wurde durch eine Anpassung der Werkzeugwege kompensiert. Insgesamt lässt sich festhalten, dass sich mit dem neuen Polierwerkzeugkonzept eine für industrielle Präparationsprozesse geeignete Standzeit erreichen lässt. Im letzten Schritt wurde die Rauheit des neuen Polierwerkzeugs bestimmt. Mit den konventionellen Polierern lässt sich eine Schneidkantenrauheit von Ra = 0,3 erreichen. Mithilfe des neuen Polierwerkzeugkonzepts kann diese auf Ra = 0,17 reduziert werden und ist damit der Rauheit beim Bürstverfahren mit Ra = 0,15 sehr nah.

Zusammenfassung und Ausblick

Zunächst erfolgte die Untersuchungen zur Bestimmung der Produktivität der 2-stufigen Diamantpolierwerkzeuge beim Parallelpolieren. Das eingesetzte Polierwerkzeugkonzept überzeugte als Präparationsverfahren zur Erstellung von Schneidkantenverrundungen mit einer für industrielle Präparationsprozesse geeigneten Standzeit. Des Weiteren konnte die Rauheit der präparierten Schneidkanten mithilfe des neuen Werkzeugkonzepts signifikant reduziert werden.

Aktuell werden Polierwerkzeuge vom selben Aufbau mit reduziertem Durchmesser untersucht, um die Schneidkantenpräparation von Schaftfräsern mit geringem Durchmesser zu ermöglichen. Zusätzlich wird die Bindung sowie die Körnung der Polierwerkzeuge variiert, um den Einfluss dieser auf das resultierende Präparationsergebnis zu bestimmen. Außerdem werden Rauheitsuntersuchungen mit den Diamantwerkzeugen durchgeführt. Dazu werden die unterschiedlichen Polierwerkzeuge eingesetzt und die Rauheit der präparierten Schneidkanten mittels Rasterelektronenmikroskopaufnahmen ausgewertet. Ferner wird die Schneidkantenpräparation mit dem neuen Werkzeugkonzept auf Schaftfräser übertragen. Abschließend sollen die erarbeiteten Grundlagenerkenntnisse in die Anwendung übertragen und der Polierprozess bei einem Industriepartner im Anschluss an das Werkzeugschleifen in einer Schleifmaschine implementiert werden.

Danksagung

Die Autoren danken für die Förderung dieses Forschungsprojekts mit dem Förderkennzeichen „ZF4070512AT8“ vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über den Projektträger AiF im Rahmen eines ZIM-Programms.


Literaturhinweis

[1] Pauksch, E.; Holsten, S.; Linß, M.; Tikal, F.: Zerspantechnik. 12. Auflage, Wiesbaden, Vieweg und Teubner, 2008

[2] Denkena, B.; Krödel, A.; Hein, M.: Innovative method for cutting edge preparation with flexible diamond tools. Procedia CIRP, Volume 86, S. 121-125, 2019

[3] Denkena, B.; Biermann, D.: Cutting edge geometries. CIRP Annals Manufacturing Technology 63, 2014

[4] Wyen, C.-F.: Rounded Cutting Edges and Their Influence in Machining Titanium, PhD-Thesis, ETH Zürich, Zürich, 2011

[5] Karpat, Y.; Özel, T.: Mechanics of High Speed Cutting with Curvilinear Edge Tools. International Journal of Machine Tools and Manufacture 48, S. 195–208, 2008

[6] Yen, Y.C.; Jain, A.; Altan, T.: A Finite Element Analysis of Orthogonal Machining Using Different Tool Edge Geometries. Journal of Materials Processing Technology 146(1), S. 72–81, 2004

[7] Bergmann, B.: Grundlagen zur Auslegung von Schneidkantenverrundungen. Dr. -Ing. Diss., Leibniz Universität Hannover, 2017

[8] Klocke, F.; König, W.: Fertigungsverfahren 2 – Schleifen, Honen, Läppen. Springer Verlag 42, S. 28, 2005

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover, denkena@ifw.uni-hannover.de

Dr.-Ing. Alexander Krödel, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover, krödel@ifw.uni-hannover.de

Maria Mauke, EVE Ernst Vetter GmbH, maria.mauke@eve-rotary.com

Markus Hein, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, Leibniz Universität Hannover, hein@ifw.uni-hannover.de

Unternehmensinformation

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW Leibniz Universität Hannover

An der Universität 2
DE 30823 Garbsen
Tel.: 0511 762-2553

Weiterführende Information
  • Optimierte Schneidkantenpräparation
    WB Werkstatt + Betrieb 08/2020, SEITE 27

    Optimierte Schneidkantenpräparation

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