Zerspanwerkzeuge Präparierte Werkzeugschneidkanten optimieren das Schnittverhalten

Autor / Redakteur: Klaus Weinert, Dirk Kötter, Ingo Kresing / Bernhard Kuttkat

Ziel der Kantenpräparation von Zerspanwerkzeugen ist das Erzeugen einer definierten Schneidkantengestalt. Dadurch wird der Verschleiß verringert und die Oberflächenqualität des Werkstückes verbessert. Die Kantenpräparation von Wendelbohrern durch Strahlen führt zu einer gleichmäßigen Verrundung der Haupt- und Querschneiden bei geringer Beeinflussung der Nebenschneiden.

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Untersuchungen beim Vollbohren mit verrundeten und scharf geschliffenen Wendelbohrern weisen den positiven Einfluss der Kantenpräparation durch Strahlen auf das Einsatzverhalten nach. Bild: ISF
Untersuchungen beim Vollbohren mit verrundeten und scharf geschliffenen Wendelbohrern weisen den positiven Einfluss der Kantenpräparation durch Strahlen auf das Einsatzverhalten nach. Bild: ISF
( Archiv: Vogel Business Media )

Für den Prozess der Zerspanung ist die Schneidkante eines Werkzeugs von grundlegender Bedeutung. Dieser Teil des Werkzeugs trennt den Span vom Werkstück und nimmt somit die zentrale Aufgabe eines Zerspanwerkzeugs wahr. Aus dieser Aufgabe resultieren einerseits höchste Belastungen im Bereich der Schneidkante, so dass Werkzeugverschleiß in der Regel von der Schneidkante ausgeht. Andererseits steht die Schneide im Kontakt mit der erzeugten Oberfläche und ist somit bestimmend für die Oberflächenqualität des zerspanten Bauteils.

Zur Herstellung der makroskopischen Werkzeuggestalt wird in der industriellen Praxis meist das Schleifen angewandt. Jedoch beeinflusst die Führung des Schleifprozesses die Güte der erzeugten Schneidkante. Bei ungünstiger Gestaltung des Schleifprozesses können von Kantenausbrüchen geprägte Schneidkanten auftreten, die dann zu einem erhöhten Werkzeugverschleiß sowie mangelhaften Oberflächenqualitäten des Bauteils führen.

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Verschiedene Schneidkanten gezielt bearbeiten

Häufig wird im Anschluss an den Schleifprozess eine Kantenpräparation durchgeführt. Diese hat die Erzeugung einer definierten Kantengestalt, meist in der Form einer Schneidkantenverrundung, zum Ziel [1]. Als gängige Verfahren der Kantenpräparation sind das Strahlen, das Bürsten sowie das Gleitschleifen zu nennen. Von den genannten Verfahren bietet das Strahlen den Vorteil, die unterschiedlichen Schneidkanten eines Werkzeuges gezielt zu bearbeiten (Bild 1 a und b).

Zur Kantenpräparation wird am Institut für Spanende Fertigung (ISF) der Universität Dortmund das Strahlverfahren eingesetzt. Die eingesetzte prototypische Anlage funktioniert nach dem Injektorprinzip, bei dem das Vorbeiströmen des Trägermediums Wasser den nötigen Unterdruck zum Ansaugen des Strahlmediums erzeugt. Als Strahlmedien kommen abrasive Medien, wie Edelkorund, zum Einsatz. Zum mehrachsigen Strahlen wird eine Vorrichtung verwendet, die die Strahlbearbeitung in den Arbeitsraum einer Werkzeugschleifmaschine implementiert. Durch diese Vorgehensweise können die Achsen der Werkzeugschleifmaschine für Verfahrbewegungen der Strahldüse genutzt werden.

Strahlvorschub beeinflusst Materialabtrag

In Bild 2 ist die Prozessführung bei der mehrachsigen Kantenpräparation von Wendelbohrern dargestellt. Bei dieser zweistufigen Prozessführung verfährt in einem ersten Schritt die Strahldüse längs einer Hauptschneide des Wendelbohrers. Im Anschluss daran wird das Werkzeug um seine Längsachse um 180° gedreht und die Präparation der zweiten Hauptschneide erfolgt analog zur ersten, nur in umgekehrter Verfahrrichtung.

Die Strahlvorschubgeschwindigkeit vf,st zählt zu den Einstellgrößen der Kantenpräparation durch Strahlen. Die Strahlvorschubgeschwindigkeit beschreibt die Geschwindigkeit, mit der die Strahldüse längs der zu bearbeitenden Schneidkante verfährt. Bild 2 zeigt den Materialabtrag auf der Span- und Freifläche der Wendelbohrer in Abhängigkeit von der Strahlvorschubgeschwindigkeit.

Es ist zu erkennen, dass mit zunehmender Strahlvorschubgeschwindigkeit der Materialabtrag auf Span- und Freifläche abnimmt. Dies kann dadurch erklärt werden, dass ein Kantenelement mit zunehmender Strahlvorschubgeschwindigkeit weniger lang vom Strahlkegel überdeckt wird. Daher findet der durch das Auftreffen der Abrasivkörner des Strahlmediums auf Span- und Freifläche verursachte Abtragsmechanismus über einen kürzeren Zeitraum statt.

Weiterhin ist zu erkennen, dass der Materialabtrag auf Span- und Freifläche nahezu identisch ist. Die erreichte Kantengestalt kann somit als Schneidkantenverrundung bezeichnet werden. Durch die Einstellung der Strahlaustrittsrichtung in Richtung der Winkelhalbierenden des Keilwinkels wird einerseits ein identischer Auftreffwinkel der Abrasivkörner des Strahlmediums auf Span- und Freifläche realisiert, wodurch sich eine Kantenverrundung der präparierten Schneidkante einstellt.

Dies wurde in Voruntersuchungen zur Strahlbearbeitung von Wendeschneidplatten ermittelt [2 und 3]. Andererseits wurden im Rahmen der Untersuchungen beschichtete und nachgeschliffene Wendelbohrer betrachtet. Diese wiesen aufgrund der Vorbehandlung eine im PVD-Verfahren aufgebrachte TiAlN-Beschichtung auf der Spanfläche auf. Jedoch beeinflusst die auf der Spanfläche vorhandene Beschichtung nicht den dort stattfindenden Materialabtrag.

Bild 3 zeigt REM-Aufnahmen eines teilbeschichteten Wendelbohrers nach der Kantenpräparation. Dargestellt sind Detailaufnahmen der Bereiche Querschneide, Übergang Querschneide zur Hauptschneide, Hauptschneide und Schneidenecke sowie eine Übersichtaufnahme, welche die Positionen der Detailaufnahmen wiedergibt.

Die REM-Aufnahmen, die die Hauptschneide zeigen, belegen die in Bild 2 dargestellten Messwerte. Es kann eine gleichmäßige Verrundung der Hauptschneide erkannt werden, die durch die auf der Spanfläche vorhandene Beschichtung nicht beeinflusst wird. Vielmehr grenzt die Beschichtung direkt an den verrundeten Bereich. Somit führen die durch den Strahlprozess induzierten Belastungen nicht zu großflächigen Beschichtungsablösungen. Die REM-Aufnahmen der Querschneide zeigen, dass sich auch in diesem Bereich eine gleichmäßige Verrundung der Schneide einstellt.

Bei der angewandten Prozessführung wird die Querschneide lediglich vom Strahlkegel und nicht, wie die Hauptschneide, vom Zentrum des Strahlkegels überstrichen. Jedoch reicht die Aufweitung des Strahlkegels für einen Materialabtrag und somit das Einstellen einer Kantenverrundung im Bereich der Querschneide aus. REM-Aufnahmen der Schneidenecke belegen, dass bei der angewandten Prozessführung die Nebenschneide des Werkzeugs nur geringfügig beeinflusst wird. Dies kann dadurch erklärt werden, dass einerseits der Strahlneigungswinkel der Strahldüse zur Nebenschneide beim Strahlen der Schneidenecke sehr groß ist.

Der Strahlneigungswinkel beschreibt die Anstellung der Strahldüse in Vorschubrichtung. In Voruntersuchungen zur Strahlbearbeitung von Wendeschneidplatten wurde gezeigt, dass sich mit zunehmendem Strahlneigungswinkel der Materialabtrag verringert [2 und 3]. Andererseits nimmt in axialer Richtung des Wendelbohrers der Abstand zwischen Strahldüse und Nebenschneide zu, wodurch die geringe Beeinflussung der Nebenschneide zusätzlich erklärt werden kann.

Scharfe Schneidkanten erzeugen große Rautiefen

Die Wendelbohrer wurden im Anschluss an die Kantenpräparation mit einer TiAlN-PVD-Beschichtung versehen und dann in Untersuchungen zum Vollbohren eingesetzt. Mit den Werkzeugen wurden Durchgangsbohrungen mit einem Verhältnis von l/D = 3 unter Erfassung von Werkzeugverschleiß und Oberflächenqualität der erzeugten Bohrungen erstellt.

In Bild 4 ist die gemittelte Rautiefe über dem Bohrweg für ein Werkzeug mit scharf geschliffenen Schneidkanten, s¯ ≈ 0 µm, und für ein Werkzeug mit verrundeten Schneiden mit einer mittleren Kantenverrundung von s¯ = 43,5 µm aufgetragen. Zu Beginn des betrachteten Bohrwegs erzeugt das Werkzeug mit scharf geschliffenen Schneiden eine deutlich schlechtere Rautiefe als das durch Strahlen verrundete Werkzeug.

Beim Vollbohren bildet sich die Schneidenecke in der Bohrungsoberfläche ab. Aus der Verwendung eines scharf geschliffenen Werkzeuges resultieren dann große Rautiefen. Im Gegensatz dazu ist die Schneidenecke eines präparierten Werkzeuges auch in radialer Richtung leicht verrundet, wie Bild 3 zeigt. Dies erklärt die geringeren Rautiefen bei Einsatz des präparierten Wendelbohrers. Weiterhin nehmen die Rautiefen der Bohrungen, die mit einem scharf geschliffenen Werkzeug erzeugt wurden, über dem betrachteten Bohrweg ab. Dies weist auf einen ausgeprägten Verschleiß der Schneidenecke bei Verwendung eines scharf geschliffenen Wendelbohrers hin.

In Bild 5 sind REM-Aufnahmen der eingesetzten Wendelbohrer mit überlagerter Fehlfarbendarstellung einer energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX-Analyse) dargestellt. Es sind erneut die charakteristischen Bereiche eines Wendelbohrers zum Ende des betrachteten Bohrwegs abgebildet: Querschneide, Übergang Querschneide zur Hauptschneide, Hauptschneide und Schneidenecke sowohl für einen scharf geschliffenen Wendelbohrer, s¯ ≈0 µm, als auch für einen Wendelbohrer mit verrundeten Schneiden, s¯ = 43,5 µm. In der Fehlfarbendarstellung der EDX-Analyse entspricht die Farbe rot dem detektierten Element Wolfram des Hartmetallsubstrats. Somit hat in den roten Bereichen verschleißbedingt eine Beschichtungsablösung stattgefunden.

Bei Einsatz eines scharf geschliffenen Wendelbohrers zeigt sich ein deutlich ausgeprägter Freiflächenverschleiß. Im Gegensatz dazu ist bei Einsatz eines Wendelbohrers mit verrundeten Schneiden der Freiflächenverschleiß deutlich reduziert. Bei Einsatz einer großen Kantenverrundung wird zu zerspanendes Material unter der Schneide durchgedrückt und führt auf der Freifläche zum Ablösen der Beschichtung. Jedoch zeigen sich die Schneidkanten noch im Zustand nach der Beschichtung. Somit führt eine Kantenverrundung zu einer Erhöhung der Schneidenstabilität und zu einer Reduzierung des Werkzeugverschleißes.

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Klaus Weinert ist Leiter des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) der Universität Dortmund; Dr.-Ing. Dirk Kötter war Leiter der Arbeitsgruppe Schleifen am Institut; Ingo Kresing war technischer Mitarbeiter am Institut. Weitere Informationen: Dipl.-Ing. Tina Terwey, 44221 Dortmund, Tel. (02 31) 7 55-52 72, koetter@isf.de

Literatur:

[1] Denkena, B., T. Friemuth, C. Spengler, K. Weinert, M. Schulte, und D. Kötter: Kantenpräparation an Hartmetall-Werkzeugen. Werkstatttechnik online 3/2003, S. 202–207.

[2] Weinert, K., W. Koehler und D. Kötter: Kantenpräparation durch Strahlen am Beispiel eines Wendelbohrers. In: Jahrbuch Schleifen, Honen, Läppen, Polieren. Essen: Vulkan-Verlag 2005.

[3] Weinert, K. und D. Kötter: 5-achsiges Strahlen optimiert die Schneide. Werkstatt und Betrieb 12/2005, S. 56–59.

Artikelfiles und Artikellinks

Link: ISF-Homepage

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