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PVD-Schichtsimulation – Ressourcenschonende Methodik zur Entwicklung PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge

PVD-Schichtsimulation – Ressourcenschonende Methodik zur Entwicklung PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge

© IFW
Gegenüberstellung des Werkzeugverschleißes an der Spanfläche von Experiment und Verschleißsimulation

Ein Großteil der heutzutage eingesetzten Zerspanwerkzeuge sind hartstoffbeschichtet. Dabei zählt das PVD-Beschichten zu den bedeutendsten Beschichtungsverfahren. Allerdings ist die prozessspezifische Auslegung der Schichteigenschaften mit kosten- und zeitintensiven Versuchsreihen verbunden. Eine Alternative zur aufwendigen experimentellen Schichtauslegung stellt die FEM (Finite Elemente Methode) dar. Die Anwendung dieser Methode auf die Verschleißprognose von PVD-Schichten wird derzeit am IFW erforscht.

In dem Forschungsvorhaben „Grundlagenuntersuchungen zur simulativen Auslegung und wissensbasierten Herstellung PVD-beschichteter Zerspanwerkzeuge für die Drehbearbeitung“ erarbeitet das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover in Kooperation mit dem Institut für Oberflächentechnik (IOT) der RWTH Aachen University neuartige Schichtsysteme. Der Schwerpunkt der Untersuchungen am IFW liegt hierbei bei der Entwicklung eines neuartigen Simulationsmodells für den unterbrochenen Schnitt auf Basis der Finite Element Methode (FEM). Das IOT legt den Fokus basierend auf den Untersuchungen am IFW auf die Herstellung prozessangepasster Schichtsysteme.

In einem vorangegangenen Projekt konnten am IFW bereits grundlegende Erkenntnisse zum Einfluss der Schichteigenschaften auf die thermomechanischen Werkzeugbelastungen sowie auf die Versagensmechanismen von PVD-Schichten beim Orthogonaldrehen von 42CrMo4 im kontinuierlichen Schnitt erarbeitet werden. Zudem wurde ein Simulationsmodell zur Verschleißprognose im kontinuierlichen Schnitt entwickelt. „Weiterhin konnten wir zeigen, dass die Spannungsbelastung der Beschichtung maßgeblich durch die Schichtdicke und den Eindringmodul beeinflusst wird“ erläutert Florian Grzeschik.

Das Ziel des aktuellen Projektes ist es, das bestehende Modell auf den Werkzeugverschleiß im unterbrochenen Schnitt zu erweitern. Dies ist notwendig, da die zyklisch aufeinanderfolgenden Zerspanungs- und Luftschnittphasen zu zyklischen thermomechanischen Belastungen führen. Ein Haupthindernis dabei stellt die hohe Rechenzeit dar, die für die Abbildung des unterbrochenen Schnittes notwendig ist. Um dieses Problem zu beheben, soll ein 2-dimensionales Simulationsmodell des orthogonalen Schnitts in die verschiedenen Schnittphasen aufgeteilt werden. Des Weiteren ist bislang unbekannt, ob die für den kontinuierlichen Schnitt aufgestellten Verschleißratenmodelle auch auf den unterbrochenen Schnitt übertrag sind. Zur Überprüfung dessen und zur Analyse der Spannungsverteilungen im Schneidkeil werden systematische Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Eigenspannungstiefenverläufe der Verbunde Beschichtung/Substrat auf das Verschleißverhalten durchgeführt.