Werkzeuge Bohrer mit optimierten Schneiden verbessern die CFK-Bearbeitung

Autor / Redakteur: Fabian Rosenberger und Dr. Christoph Gey / Rüdiger Kroh

Mit hartgelöteten PKD-Vollhartmetallbohrern kann die Effizienz beim Bearbeiten von CFK- oder CFK-Titan-Composite-Werkstoffen im Vergleich zu konventionellen Hartmetallwerkzeugen deutlich gesteigert werden. Eine optimierte Schneidengeometrie verbessert dabei die Bohrungsqualität hinsichtlich Toleranz und Grat.

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Bild 1: Kundenspezifischer Wechselkopfbohrer mit hartgelötetem PKD-Einsatz.
Bild 1: Kundenspezifischer Wechselkopfbohrer mit hartgelötetem PKD-Einsatz.
(Bild: Kennametal)

In der Luftfahrtindustrie sind Kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK), allein oder als Packet mit Titan und Aluminium, aufgrund ihres guten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses und ihren positiven Materialeigenschaften stark verbreitet. Der Dreamliner 787 von Boeing zum Beispiel besteht volumenmäßig zu 80 % aus Composite-Werkstoffen, was 50 % des Gesamtgewichts ausmacht. Außerdem konnte durch die Verwendung dieser Werkstoffe auf 1500 Aluminiumbleche und 50.000 Befestigungselemente verzichtet werden, was zu einer sehr großen Gesamtgewichtsreduzierung führt. Der Energieverbrauch im Vergleich zu einer Boeing 767 ist somit um 20 % geringer.

PKD steigert Effizienz beim Bearbeiten von Luftfahrtwerkstoffen

Aktuell sind Verbindungstechniken wie Kleben oder Schweißen noch nicht ausreichend erprobt, so dass zu verbindende Teile meist nach wie vor genietet werden. Aufgrund der deutlich unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften von kohlefaserverstärkten Kunststoffen und Metallen stellt das Bohren der benötigten Befestigungslöcher eine große Herausforderung für die Werkzeuge dar. Es erfordert eine hohe Verschleißfestigkeit sowie optimierte Schneidengeometrien.

Durch den Einsatz von Polykristallinem Diamant (PKD) kann die Effizienz beim Bearbeiten heutiger Luftfahrtwerkstoffe im Vergleich zu konventionellen Hartmetallwerkzeugen deutlich gesteigert werden. Von einigen führenden Werkzeugherstellern werden bereits hartgelötete PKD-Bohrer entwickelt und angeboten. Diese Werkzeuge verbinden eine PKD-Schneide mit einem Bohrer aus Vollhartmetall (VHM). Dieser bringt die nötige Steifigkeit und Maßgenauigkeit für die geforderte Bohrungsqualität mit. Außerdem kann durch Bohrungen im Vollhartmetallstab eine für den Bohrprozess erforderliche verbesserte Kühlung und über spiralisierte Spannuten eine verbesserte Spanabfuhr sichergestellt werden. Die im Eingriff befindlichen Schneidkanten sind aus PKD, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert und damit die Effizienz der Zerspanung erhöht wird.

Viele Faktoren beeinflussen die Werkzeugausführung

Eine optimierte Werkzeugausführung ist entscheidend, um bei der Bearbeitung von Composite-Werkstoffen gute Bohrungsqualitäten zu erreichen. Bei der Werkzeugausführung beeinflussen viele Faktoren die Qualität. So können zum Beispiel durch eine kleinere Schneidkantenverrundung und einen größeren Schneidwinkel die Schnittkräfte verringert werden. Andere Faktoren sind ein kleiner Spitzenwinkel, um Axialkräfte und damit Delamination der Fasern zu reduzieren, und eine optimierte Kantengeometrie, um die Gratbildung besser kontrollieren zu können. Werkzeugmaschine, Spindel und Steifigkeit des Aufbaus, Werkzeughalter, interne oder externe Kühlung und die Werkstoffe des Werkstücks, in die der Bohrer ein- und austritt, sind ebenfalls zentrale Faktoren, die bei der Werkzeugauslegung berücksichtigt werden müssen. In vielen Fällen sind Sonderwerkzeuge nötig, um die Kundenanforderungen erfüllen zu können.

Um einen optimalen PKD-Bohrer zu entwickeln, ist umfassendes und tiefgehendes Prozesswissen nötig. Die Prozessentwicklung bestimmt nicht nur die Werkzeugleistung, sondern hat auch direkten Einfluss auf die Bearbeitungseffektivität und die Kosten. Es gibt vier Haupttechniken, um Bohrer mit synthetischen Diamantschneiden für Composite-Werkstoffe zu fertigen.

  • Diamantbeschichtete CVD-Bohrer: Ein herkömmlicher VHM-Bohrer wird CVD-diamantbeschichtet. Dies ist eine kostengünstige Lösung, bei der allerdings die Schärfe der Kante durch die Schichtdicke begrenzt wird. Hinzu kommt, dass diese Ausführung durch den großen Härteunterschied zwischen dem Hartmetallsubtrat und der Diamantbeschichtung nur in geringem Maße Schläge absorbieren kann. Der Widerstand gegen Ausbrüche ist ebenfalls begrenzt.
  • PKD-Bohrkrone: Ein kegelförmiges PKD-Rohteil wird auf ein Hartmetallsubstrat in einer genau festgelegten geometrischen Form aufgesintert. Diese halbfertige Komponente wird dann auf einen Vollhartmetallkörper aufgelötet. Die Einsatzmöglichkeiten dieser PKD-Lösung werden durch die verfügbaren PKD-Sorten begrenzt. Die Bearbeitung nach dem Löten ist vergleichsweise teuer, da viel Diamant bei der Erzeugung der Bohrergeometrie wieder entfernt werden muss, um die benötigten Funktionsflächen zu generieren. Auch interne Kühlkanäle können erst nachträglich eingebracht werden.
  • Bohrer mit PKD-Ader: Ein Vollhartmetall-Rohling mit vorgefertigtem Schlitz wird mit dem PKD-Pulver befüllt und dann extrem hohem Druck und extrem hoher Temperatur ausgesetzt, um die PKD-Struktur zu erzeugen. Nach der Hochdruck-Hochtemperatur-Synthese wird der Rohling abgelängt, auf einen Vollhartmetallschaft aufgelötet und anschließend die endgültige Bohrergeometrie erzeugt. Mit dieser sogenannten Vein-PKD-Technologie können komplexe Geometrien mit hochpositiven Schnittwinkeln und -formen erzeugt werden. Sie erfordert weniger Bearbeitungsaufwand als die PKD-Bohrkronen-Variante, dafür ist aber bei diesen Werkzeugen die Endgeometrie stark von der Lage der PKD-Ader im Rohteil abhängig. Weil diese Lage bereits beim Sintern des Rohlings, also sehr früh in der Fertigungskette, fixiert wird, ist somit auch die Variabilität bestimmter Geometrieelemente limitiert.
  • Hartgelötete PKD-Bohrer: Das Einlöten von zweidimensionalen PKD-Rohteilen ist die am weitesten verbreitete Technik zum Herstellen von PKD-Bohrern. Für kleinere Werkzeugdurchmesser wird teilweise auch ein spezielles Sandwich-PKD-Rohteil verwendet, während für größere Durchmesser meist individuelle PKD-Zuschnitte zum Einsatz kommen. Diese Lösungen haben starke geometrische Einschränkungen, da es schwierig ist, den für die Composite-Bearbeitung nötigen positiven Schnittwinkel zu erzeugen. Um dreidimensionale Schneidengeometrien herstellen zu können kann ein quaderförmiges PKD-Rohteil der gewünschten Sorte verwendet werden, das bei ausreichender PKD-Lagenstärke auch entsprechend komplexe Nutformen erlaubt. Dazu wird ein gedrallter Schlitz in einen Vollhartmetallstab eingebracht und damit die Lage des Diamantwerkstoffes ähnlich der Veined-PKD-Variante dort angebracht, wo später am fertigen Werkzeug die Schneiden sein sollen. Im Vergleich zur PKD-Bohrkrone kommt bei dieser Fertigungsvariante der Diamant nur an den Funktionsflächen zum Einsatz, was die Bearbeitungszeiten bei der Werkzeugherstellung nachhaltig verbessert. Für die hier präsentierten Ergebnisse kam aufgrund aller Vorteile diese Fertigungstechnik zum Einsatz.

Bearbeitbarkeit des Diamant-Werkstoffes wurde bewertet

Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Wahl der passenden PKD-Sorte ist die Bearbeitbarkeit des Diamant-Werkstoffes. Diese wurde gemessen, indem die Herstellzeiten identischer Werkzeuge mit unterschiedlichen PKD-Rohmaterialien miteinander verglichen wurden. Der Schwerpunkt wurde auf alle Herstellschritte inklusive der PKD-Scheibenerosion und des PKD-Schleifens gelegt. Je besser die Bearbeitbarkeit, umso höher die Wertung. Denn kürzere Herstellzeiten führen zu geringeren Herstellkosten. Dies ist neben der Werkzeugleistung ebenfalls wichtig, um eine wettbewerbsfähige Werkzeuglösung zu entwickeln.

Die optimale Schneidengeometrie für das Bohren von Composite-Titan-Packeten auszuwählen ist schwierig, weil die beiden Werkstoffe unterschiedliche Bohrereigenschaften erfordern. Das Bohren kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe verlangt üblicherweise hohe Drallwinkel und lange Schneidkanten, weil die Kohlenstofffasern an den Schnittkanten abgeschert werden müssen. Lange Schneidkanten werden durch geringe Spitzenwinkel erreicht. Außerdem sollten Bohrer für CFK-Werkstoffe nur geringe axiale Kräfte im Werkstück erzeugen, um Delamination beim Bohreraustritt zu vermeiden. All dies spricht für eine scharfe Schneidkantengeometrie mit kleinen Keilwinkeln. Bei Drallwinkeln um die 30º können die Freiwinkel bis zu 20º betragen.

Freiwinkel für Titan-Anwendungen liegen bei 8 bis 14º

Die Zerspanung von Titan kann grundsätzlich ebenfalls mit scharfen Schneidkanten erfolgen, erfordert aber im Vergleich zum Bohren von CFK-Werkstoffen stabilere Keilwinkel. Die Freiwinkel für Titan-Anwendungen liegen typischerweise im Bereich von 8 bis 14º. Im Vergleich zur Zerspanung von Stahl sind diese Freiwinkel in der Regel höher (im vorgestellten Fall um die 12º), damit der Wärmeeintrag an der Freifläche minimiert und so der Freiflächenverschleiß verringert wird. Da große Freiwinkel in Verbindung mit üblichen Drallwinkeln von etwa 30º die Schneidkanten zu sehr schwächen würden, wurde der Drallwinkel auf 15 bis 20º verringert, um die eingesetzten hohen Freiwinkel auszugleichen.

Die vorgestellte Fertigungstechnik gestattet je nach erforderlicher Schneidengeometrie unterschiedliche Drallwinkel. Dies ist einer der Hauptvorteile, weil die herkömmlichen eckenbestückten 2D-PKD-Werkzeuge lediglich Drallwinkel bis 8º erlauben. Um enge Bohrungsdurchmesser-Toleranzen zu gewährleisten, muss die Bohrerspitze notwendigerweise eine sehr gute Selbstzentrierung haben. Andererseits hat der Spitzenwinkel starken Einfluss auf die Gratbildung. Es hat sich gezeigt, dass Spitzenwinkel von entweder unter 90º oder über 150º die Gratbildung beim Bohreraustritt minimieren.

Innenkühlung trägt dazu bei, den CFK-Staub schnell abzuführen

Ein Bohrer mit einem Spitzenwinkel von 155º wäre zwar gut geeignet, aus der Titanschicht auszutreten, hat aber keine guten Zentriereigenschaften. Deshalb wird eine zweifache Spitzenwinkelausführung mit einem inneren Spitzenwinkel von 130º und einem äußeren Spitzenwinkel von 155º vorgeschlagen. Die gesamte Spitzenhöhe eines solchen Bohrers ist im Vergleich zu einem üblicherweise eingesetzten Bohrer mit langen Schneidkanten verhältnismäßig gering. Das führt die dritte und vierte Fase sehr schnell in Kontakt mit dem Werkstoff und trägt so dazu bei, die Bohrungstoleranzen gering zu halten.

Ein weiterer Vorteil der vorgeschlagenen Bohrerausführung ist die Möglichkeit interner Kühlmittelzufuhr. Beim Bohren reiner CFK-Platten trägt die Innenkühlung dazu bei, den CFK-Staub mit Hilfe von Druckluft schnell durch die Spannuten abzuführen. Bei der Bearbeitung von Packeten aus CFK und Titan kann über diese inneren Kühlkanäle die notwendige Minimalmengenschmierung erfolgen. Diese dient nicht nur zur Schmierung, sondern auch zum Reduzieren des hohen Hitzeeintrags, der bei der Titanzerspanung aufgrund der geringen Werkstoffwärmeleitfähigkeit entsteht.

Minimalmengenschmierung ist unbedingt erforderlich

Wenn mit PKD-Werkzeugen gebohrt wird, ist die Minimalmengenschmierung daher unbedingt erforderlich. Denn sonst würde der hohe Wärmeeintrag entweder zu einer Graphitisierung der Diamantschneide oder einer Titankarbidbildung an den Spanflächen des Werkzeugs führen. Diese Reaktion des Kohlenstoffs aus dem Diamant mit dem zu bearbeitenden Titanwerkstoff führt zu chemischem Verschleiß der Spanflächen und schließlich zu Ausbrüchen der PKD-Schneiden.

Die entwickelten PKD-Werkzeuge wurden in Zerspanungsversuchen getestet, um so die am besten geeignete PKD-Sorte und Schneidengeometrie herauszufinden. Der Testaufbau und die Zerspanungsparameter sind wie folgt:

  • Als Testwerkzeuge kommt ein gelöteter PKD-Bohrer mit einem Durchmesser von 11,113 mm und drei verschiedenen PKD-Sorten (G4, KD1415 und KD1425) im Vergleich zu einem unbeschichteten VHM-Bohrer der gleichen Geometrie zum Einsatz.
  • Der Testwerkstoff besteht aus einer 8,7 mm dicken CFK-Platte, die über Schrauben fest mit einer 10,8 mm starken TI-6Al-4V-Platte verbunden ist. Der Bohrungseintritt der Testwerkzeuge liegt auf der CFK-Seite, der Bohrungsaustritt auf der Titanseite.
  • Es kommt ein CNC-Bearbeitungszentrum (Heckert CWK 400) mit horizontaler Spindel und Minimalmengenschmierung durch die Spindel zum Einsatz.
  • Sowohl für CFK als auch für Titan liegen die Schnittwerte bei 20 m/min Schnittgeschwindigkeit und 0,05 mm Vorschub pro Umdrehung. Die Versuche fanden ohne Rückzugszyklen zum Spanbrechen statt.
  • Um den Werkzeugverschleiß zu überwachen, wurden die Testwerkzeuge nach dem Bohren von jeweils vier Löchern unter dem Mikroskop untersucht. Eine Untersuchung des Verschleißes unter dem Rasterelektronenmikroskop erfolgte nach dem Bohren von 24 Löchern.
  • Nach Abschluss der Zerspanungsversuche wurden die Testplatten gereinigt und markiert. Alle Bohrungen wurden untersucht. Bei jeder Bohrung wurde der Bohrungsdurchmesser an vier verschiedenen Stellen gemessen, in der CFK- und in der Titan-Schicht jeweils in der Nähe der Eintritts- und der Austrittsflächen. Die Höhe der Gratbildung an der Unterseite der Titanschicht wurde ebenfalls messtechnisch erfasst.

Beim Bohren der CFK-Titan-Composite-Werkstoffen müssen einige Anforderungen gleichzeitig erfüllt sein, um eine gute Bohrungsqualität zu erreichen. Die Bohrung muss eng toleriert sein, um das Befestigungselement aufzunehmen. Der Austrittsgrat muss innerhalb einer bestimmten Höhe liegen, um das Entgraten zu erleichtern oder ganz überflüssig zu machen. Durch einen Totalausfall des Werkzeugs kann die Bohrung beschädigt werden, der Verschleiß des Werkzeugs selbst kann so gravierend sein, dass man es nicht wieder aufbereiten kann. Um dies zu vermeiden, müssen Eckenausbrüche minimiert und überwacht werden. Folgende Kriterien definieren, wann die Standzeit des Werkzeugs erreicht ist.

  • Bohrungsdurchmessertoleranz von 11,113 mm + 70 µm (H10-Toleranz).
  • Gratbildung von maximal 0,2 µm
  • Auftreten von Eckenausbrüchen

Standzeit der Bohrer wird meist durch Eckenausbrüche limitiert

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Standzeit der Bohrer meist durch Eckenausbrüche oder zu hohe Gratbildung limitiert war. Die genannten Qualitätsanforderungen wurden für alle in dieser Untersuchung getätigten Bohrungen erreicht.

Bild 3 zeigt den Bohrungsdurchmesser beispielhaft für ein untersuchtes PKD-Werkzeug. Bei jeder Bohrung wurde der Bohrungsdurchmesser an vier verschiedenen Stellen gemessen, in der CFK- und in der Titan-Schicht jeweils in der Nähe der Eintritts- und der Austrittsflächen. Es wird deutlich, dass der Bohrungsdurchmesser in der Titanschicht mittig in der festgelegten Toleranz liegt und nur in einem kleinen Bereich von 10 µm schwankt. Der Bohrungsdurchmesser beim Eintritt in die Titanschicht unterscheidet sich nur unwesentlich vom Durchmesser beim Austritt.

Späne beschädigen während des Abtransports die Bohrungswandung

In der CFK-Schicht hingegen ist ein relativ großer Unterschied zwischen dem Bohrungsdurchmesser am Eintritt und dem am Austritt festzustellen. Dieser Unterschied ist dadurch zu erklären, dass Späne die Bohrungswandung während des Abtransports beschädigen. Eine verbesserte Spankontrolle ist unverzichtbar, um diesem Problem zu begegnen und die Einheitlichkeit der Bohrungsdurchmesser zu verbessern. Es ist schwierig, die Spankontrolle ausschließlich über die Werkzeugauslegung in den Griff zu bekommen. In der Praxis hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von Rückzugszyklen zum Entspanen oder vibrationsunterstütztes Bohren dazu beitragen, die Spanlänge zu beeinflussen und die Beschädigungen zu verringern.

Die Ergebnisse zeigen, dass mit der vorgestellten Bohrergeometrie Bohrungen mit H10-Toleranz realisiert werden können. Unter optimalen Zerspanungsbedingungen können bei gleichzeitig hoher Prozesssicherheit sogar H8-Toleranzen erreicht werden. Eine Abhängigkeit der Bohrungsqualität vom Schneidkantenwerkstoff konnte nicht nachgewiesen werden. PKD- und Hartmetall-Werkzeuge mit gleichen Schneidengeometrien führen zu gleich guten Bohrungsqualitäten.

Hartmetallbohrer produzieren früher starke Grate

Wenn man sich die Ergebnisse der Bohrversuche bezüglich der Gratbildung und der Verschleißmechanismen anschaut, ist eine eindeutige Abhängigkeit vom eingesetzten Bohrerschneidkanten-Werkstoff festzustellen. Bild 4 zeigt den Zusammenhang zwischen einer Zunahme der Grathöhe bei steigender Anzahl der Bohrungen am Beispiel eines VHM-Bohrers und zweier PKD-Bohrer.

Es kann nachgewiesen werden, dass ein Hartmetallbohrer beim Austritt aus Titan bereits nach 14 Bohrungen starke Grate produziert. Beim PKD-Bohrer traten die ersten Abweichungen von den Toleranzen erst nach 57 oder 117 Bohrungen auf. Theoretisch steht die Zunahme der Grathöhe in engem Zusammenhang mit dem Eckenverschleiß des Werkzeugs. Dies ergibt sich aus der größeren Werkstoffhärte und des daraus resultierenden langsameren Eckenverschleißes von PKD-Werkzeugen im Vergleich zu Hartmetallwerkzeugen. Der Unterschied im Verschleiß der drei untersuchten PKD-Sorten erscheint gering. Die am häufigsten festgestellte Verschleißart der PKD-Sorten sind Ausbrüche der Schneidkanten.

Die Tabelle gibt einen Überblick über die Standzeiten der drei untersuchten PKD-Sorten. Man sieht, dass sich die Sorten G4 und KD1415 in Bezug auf die durchschnittliche Werkzeugstandzeit kaum voneinander unterscheiden. KD1415 zeigt eine gleichmäßigere Standzeit und lässt sich am besten bearbeiten. Da so die Herstellungskosten des Werkzeugs reduziert werden, ist sie die beste Sorte für diese Anwendung.

Es wurden hartgelötete PKD-VHM-Bohrer mit drei verschiedenen PKD-Sorten und optimierten Schneidengeometrien entwickelt und untersucht. Die Ergebnisse lauten zusammenfassend:

  • Durch die 3D-Hartlöttechnik können PKD-Werkzeuge mit variablem Drallwinkel und dadurch großen Freiwinkeln gefertigt werden. Im Vergleich zu PKD-Bohrkrone-Lösungen lassen sich beim 3D-Hartlöten die Werkzeuge schneller und damit günstiger fertigen, da weniger PKD von den Funktionsflächen entfernt werden muss.
  • Mit einer optimierten Schneidengeometrie (doppelter Spitzenwinkel, gedrallte Spannuten, Innenkühlung über spiralisierte Kühlkanäle, hohe Freiwinkel) konnten mit den entwickelten PKD-Bohrern gute Bohrungsqualitäten erreicht werden.
  • Im Vergleich zu unbeschichteten VHM-Bohrern weisen die PKD-Bohrer eine deutliche längere Standzeit auf.
  • Alle untersuchten PKD-Bohrer zeigen das gleiche Verschleißmuster, das mit Mikrorissen in der Spanfläche beginnt und mit Totalausfall durch Eckenausbrüche endet.
  • Die PKD-Sorte KD1415 übertrifft G4 und KD 1425 in Bezug auf die Standzeit und eine bessere Bearbeitbarkeit. Deshalb wird sie für diese Anwendung als am geeignetsten angesehen.

MM

* Fabian Rosenberger ist Senior Engineer, Global Grade Development bei der Kennametal Inc., Latrobe, PA 15650 (USA). Dr. Christoph Gey ist dort Vice President Material Science

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