Warmzerspanung Elektronenstrahl verringert Prozesskräfte beim Zerspanen

Redakteur: Bernhard Kuttkat

Die elektronenstrahlunterstützte Zerspanung hochwarmfester Superlegierungen verringert die Prozesskräfte und verbessert deutlich die Zerspanbarkeit. Die Vorteile des Elektronenstrahls im Vergleich zum Laser sind gezielte Erwärmung und flexible Relativbewegung zum Werkstück.

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Erste Versuche zeigen die prinzipielle Eignung eines Elektronenstrahls als Wärmequelle für die (Mikro-)Warmzerspanung. Unterschiedlich hohe Wärmeeinwirkleistungen belegen, dass der Elektronenstrahl durch geeignete Para- metervariation auch für geringe Werkstückerwärmungen nutzbar ist. (Bild: IWF)
Erste Versuche zeigen die prinzipielle Eignung eines Elektronenstrahls als Wärmequelle für die (Mikro-)Warmzerspanung. Unterschiedlich hohe Wärmeeinwirkleistungen belegen, dass der Elektronenstrahl durch geeignete Para- metervariation auch für geringe Werkstückerwärmungen nutzbar ist. (Bild: IWF)

Ein Trend in der Fertigung von miniaturisierten Produkten geht zu mittleren Losgrößen und zu Werkstoffen, die sich nicht mehr mit den üblichen Verfahren aus der Mikrotechnik (Lithographie und andere) wirtschaftlich bearbeiten lassen. Daraus ergeben sich Vorteile für die Fertigungsverfahren wie Schleifen, Fräsen oder Erodieren.

Wärmeeinleitung unterstützt Zerspanung

Die kleinen Werkzeuge können allerdings schnell überlastet werden und die erforderlichen technologischen Schnittwerte können nur mit hochtourigen Spindeln erreicht werden. Zur Reduzierung der Prozesskräfte bietet es sich an, neben den optimalen Prozessparametern die Zerspanung durch zusätzliche Verfahren zu unterstützen.

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Ein Ansatz zur deutlichen Leistungssteigerung gegenüber konventionellen Zerspanungsverfahren ist die Warmzerspanung, bei der durch gezielte und kontrollierte Wärmeeinleitung während des Bearbeitungsprozesses die Zerspanbarkeit des Werkstoffs signifikant verbessert wird [1 bis 3]. Die Nachteile des laserunterstützten Warmzerspanens liegen in den physikalisch-technologischen Eigenschaften der Wärmequelle Laser begründet, unabhängig vom Lasertyp.

Für die spezifischen, wellenlängenabhängigen Absorptionseigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe müssen die Laserparameter ermittelt und eingestellt werden, um eine gleichbleibende Erwärmung zu erhalten. Weil die Absorptionseigenschaften eines Bauteiles auch maßgeblich von der Oberflächengüte und deren Temperatur abhängen, nimmt beim Spanen und dem mehrmaligen Überfahren des Werkstückes die Absorption und damit auch die Erwärmung zu.

Warmzerspanung erfordert Vorlaufen des Lasers

Ein weiterer Nachteil ist die Energieabsorption der Laserstrahlung in Werkstoffen. Die optische Eindringtiefe ist bei Metallen in der Regel deutlich kleiner als die thermische Eindringtiefe. Das bedeutet, dass die Tiefe, in der der Werkstoff eine bestimmte Temperatur erreicht, eine zeitabhängige Größe ist.

Um eine bestimmte Tiefe zu erwärmen, sind Mindesteinwirkzeiten des Lasers notwendig. Dies wird derzeit über ein Vorlaufen des Lasers oder eine Grunderwärmung des gesamten Bauteils erreicht.

Warmzerspanung kann Bauteil durch Wärmeeintrag belasten

Dadurch ist sowohl die Schnittgeschwindigkeit als auch die Spantiefe nur limitiert einstellbar. Insbesondere bei Werkstoffen mit einer vergleichsweise geringen Wärmeleitfähigkeit werden ausreichend lange Vorlaufzeiten benötigt.

Dadurch breitet sich die Wärme dreidimensional im Werkstück aus und ein erheblicher Teil fließt in den Grundwerkstoff ab. Dies führt zu einem reduzierten Wirkungsgrad und einer erhöhten Wärmebelastung des Bauteils.

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