Titanzerspanung: Ein Beitrag zur Erhöhung der Standzeit

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In der vorliegenden Dissertationsschrift werden die spezifischen Herausforderungen der Titanzerspanung aufgeführt und durch systematische Variation unterschiedlicher Einflussfaktoren die Einflussnahme auf die Leistungsgrenzen dieses Verfahrens überprüft. Aus den zu Tage tretenden Effekten werden Rückschlüsse für einen optimalen Schneidstoffeinsatz gezogen. Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung führt auch bei Titanlegierungen zu einem Absinken der Schnittkräfte mit steigender Schnittgeschwindigkeit. Positive Effekte durch die geringere Belastung des Werkzeugs können bei der Zerspanung von Titanlegierungen jedoch nicht beobachtet werden. Die werkstoffbedingt auftretenden hohen Temperaturen in der Zerspanzone führen zu hohen thermischen Belastungen der Schneide und überlagern den HSC-Effekt. Ziel dieser Arbeit ist das Verständnis um die Wirkungsweise der hohen Temperaturen auf die Verschleißentstehung bei der Titanzerspanung und die Überprüfung der Möglichkeiten durch Vortemperierung des Schneidstoffes die Verschleißentstehung zu beeinflussen. Hierzu werden unter Verwendung eines erstellten FEM-Modells die Belastungen der Spanfläche des Schneidstoffes während der Titanzerspanung simuliert. Das erstellte Modell basiert auf der Kopplung von thermischen und mechanischen Lasten. Die Ergebnisse der FEM-Simulation zeigen sowohl die Effekte auf den Temperaturtransport, als auch auf die sich ergebenden Spannungen und Dehnungen im Schneidstoff im zeitlichen Verlauf. In den Berechnungen folgenden Versuchsdurchführungen werden die festgestellten Effekte bei der Bearbeitung zweier unterschiedlicher Titanlegierungen, Ti-6Al-4V und Ti6242, überprüft. Der Vergleich der Ergebnisse aus den durchgeführten Versuchen zeigt für die sich einstellenden Temperaturen Übereinstimmung mit der FEM-Simulation und weist auf Zusammenhänge zwischen maximaler Dehnung im Schneidstoff und Vortemperierung hin. Durch ausschließende Untersuchung und analoge Betrachtung in Grundlagenversuchen zur Reibung unter Temperatureinfluss wird dargestellt, wie sich die Vortemperierung auf die Reibsituation des Spans auf der Spanfläche auswirkt. Eine auf Basis dieser Erkenntnis mit Hilfe der FEM-Simulation durchgeführte Sensitivitätsanalyse zeigt im Hinblick auf die Dehnung in Hauptachsenrichtung, dass diese sehr stark abhängig ist vom Reibkoeffizienten und sich so ein Optimum bei einem spezifischen Verhältnis von Normalkraft auf der Spanfläche zu Reibkraft auf der Spanfläche ergibt. Da die Dehnung als Rissinitiierungskriterium herangezogen werden kann, ergibt sich hiermit ein direkter Einfluss auf die Verschleißentstehung bei der Titanzerspanung. Neben fundierten Empfehlungen an die Anwender in der Titanzerspanung hinsichtlich optimaler Einstell- und Einsatzparameter wurde somit ein Beitrag zum Verständnis der Verschleißentstehung bei der Titanzerspanung und damit zur Erhöhung der Standzeit geliefert. Zusätzlich werden die erarbeiteten Erkenntnisse als dezidierte Empfehlungen zur Einstellung der Schneidstoffsubstrate an die Hersteller der Schneidstoffe weitergegeben, um die spezifischen Anforderungen der Titanzerspanung erfüllen zu können. Bestehendes Rationalisierungspotential kann nun durch Steigerung der Schnittgeschwindigkeit genutzt und damit die Produktivität gesteigert werden. Der noch bestehende Forschungsbedarf zur Klärung der Besonderheiten bei der Reibung von Titan mit Hartmetall wird aufgezeigt und zur Untersuchung in Materialwissenschaftlichen Untersuchungen empfohlen.