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Verschleiß auf Vorrat: Neuartige Freiflächengestalt bei Schaftfräsern

Verschleiß auf Vorrat: Neuartige Freiflächengestalt bei Schaftfräsern

© Sebastian Worpenberg , IFW
Geschliffener Schaftfräser mit Freiflächenmodifikation

Eine neuartige Gestaltung der Freifläche an Schaftfräsern für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe ermöglicht nahezu konstante Kontaktbedingungen während der Zerspanprozesses. „Wir setzen die Freifläche unterhalb der Schneidkante zurück und stellen durch den so entstehenden Steg einen Verschleißvorrat bereit“, erläutert Projektmitarbeiter Sebastian Worpenberg am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW). Gemeinsam mit Partnern aus der Industrie entwickelt der Wissenschaftler Werkzeuggeometrien, die eine längere Einsatzzeit ermöglichen und gleichzeitig die Bauteilrandzone schonen.

Die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien, wie Titan- oder Nickelbasislegierungen, stellt hohe Anforderungen an die Zerspanwerkzeuge. Durch hohe Warmfestigkeit der Werkstoffe, einen hohen Anteil intermetallischer Phasen und Karbide sowie eine geringe Wärmeleitfähigkeit, neben anderen Eigenschaften, kommt es in Folge der mechanischen Bearbeitung zu raschem Werkzeugverschleiß. Die maximale Verschleißgrenze wird dadurch schnell erreicht. Worpenberg: „Mit zunehmendem Verschleiß steigt der Kontakt zwischen Werkzeugfreifläche und Werkstück. Dadurch wird die Werkzeugbelastung und die Belastung auf die Bauteiloberfläche kontinuierlich gesteigert.“

Eine Möglichkeit diesen Verschleiß zu begrenzen, ist der Einsatz von Freiflächenmodifikationen: Die Freifläche wird in einem definierten Abstand zur Schneidkante zurückgesetzt. Auf diese Weise entsteht unterhalb der Schneidkante ein Steg mit einer definierten Tiefe und Breite. Der Kontakt zwischen der Freifläche des Werkzeugs und dem Werkstück bleibt so über einen gewissen Zeitraum auf die Breite des Stegs begrenzt. Die Tiefe des Stegs kennzeichnet das Potenzial zur Standzeitsteigerung: Je tiefer der Steg, desto länger herrschen konstante Kontaktverhältnisse zwischen Werkzeug und Werkstück. „Dadurch können wir die Belastung auf die Werkstückrandzone wirksam begrenzen“, so Projektmitarbeiter Worpenberg. Je tiefer der Steg, desto größer seien jedoch auch die Spannungen im Werkzeug, die zu einem frühzeitigen Versagen durch Schneidkantenbruch führen können, erläutert der Wissenschaftler.

Da durch die Modifikation an der Freifläche der Schneidkeil zusätzlich geschwächt ist, ist für einen wirtschaftlichen Einsatz von Werkzeugen mit Freiflächenmodifikation eine lastoptimierte Auslegungsmethodik erforderlich. Im Projekt soll mit Hilfe der FEM-Simulation verschiedener Parameterkombinationen der Modifikation eine lastoptimierte Auslegung berechnet werden. Die Werkzeuge werden dann im Anschluss durch einen Schleifprozess hergestellt.

Diese Methodik konnte bereits erfolgreich in einem vorangegangenen Projekt zum Drehen eingesetzt werden. Die dynamische Belastung des Fräsprozesses stellt jedoch andere Anforderungen an das Werkzeug, sodass die Ergebnisse nicht übertragbar sind. Erste Versuche zeigen jedoch, das Freiflächenmodifikationen auch beim Fräsprozess zu Standzeitvorteilen führen. Derzeit erfolgt die Validierung und Optimierung des Modells zur Auslegung der Modifikation. Anschließend wird der Einfluss auf die Werkstückrandzone untersucht.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Sebastian Worpenberg, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen per E-Mail unter worpenberg@ifw.uni-hannover.de oder unter der Telefonnummer +49 511 762 2537 gerne zur Verfügung.