SolidTool - Leistungssteigerung von Vollhartmetallschaftfräsern durch Prozesskettenoptimierung

Steckbrief

Eckdaten

Laufzeit:
01.11.2018 bis 30.04.2021
Organisationseinheit:
Lehrstuhl für Technologie der Fertigungsverfahren, Zerspantechnologie
Fördergeber:
Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen AiF, Bundesministerium für Wirtschaft und Energie BMWi
Status:
Abgeschlossen

Forschungspartner

    • Jongen GmbH
    • Ceratizit Austria
    • Gühring KG
    • FRAISA SA
    • Franken GmbH
    • Oerlikon Balzers Coating GmbH
    • AKE Knebel GmbH & Co. KG
    • ISCAR GmbH
    • Eckold GmbH
    • Graf Technik GmbH
    • Bilz GmbH
    • Inovatools Eckeerle & Ertel GmbH
    • Sandvik
    • Gebrüder Saacke GmbH etc.

Kontakt

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+49 241 80 20524

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Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben Nr. 20087 N des FKM wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Das Projektziel war es, die Leistungsfähigkeit beschichteter Vollhartmetall- (VHM-) Schaftfräser durch eine Optimierung der Herstellungsprozesskette systematisch zu erhöhen. Dabei standen die fertigungsbedingten Oberflächen- und Randzoneneigenschaften im Fokus der Untersuchungen. Es wurden insgesamt 240 VHM-Schaftfräser gefertigt, die acht unterschiedliche Eigenschaftsprofile aufwiesen. Die Optimierung der Prozesskette wurde in sechs Arbeitspaketen erzielt. Dazu gehörten die Analyse der Fertigungshistorie, die Durchführung von Untersuchungen des Zerspanverhaltens sowie die Entwicklung und Anwendung eines Gestaltungsmodells für Prozessketten. Im Projekt wurden Prozessketten zur Herstellung von optimierten Werkzeugen identifiziert und erfolgreich auf die industrielle Werkzeugherstellung übertragen.

Zu Beginn des Projekts wurden Hartmetallrohlinge zur Fertigung von VHM-Schaftfräsern durch Projektpartner bereitgestellt und charakterisiert. Weiterhin wurde Versuchswerkstoff zur Durchführung von Untersuchungen des Zerspanverhaltens der gefertigten Werkzeuge beschafft und charakterisiert. Dabei handelte es sich um die Werkstoffe 42CrMo4+QT sowie X6Cr-Ni-Mo-Ti-17-12-2.

Im Anschluss wurden in einem ersten Fertigungsschritt 240 VHM-Schaftfräser mittels Schleifen gefertigt. Durch die nachfolgende Anwendung verschiedener Verfahren zur Kantenpräparation wurden acht Fräservarianten mit unterschiedlichen Eigenschaftsprofilen zu jeweils 30 Werkzeugen generiert. Drei Varianten wurden mit jeweils einem der alternativen Kantenpräparationsverfahren Gleitschleifen, Abrasivstrahlen und Bürsten bearbeitet. Die Schneidkanten der vierten Variante verblieben schleifscharf. Jede der vier Varianten wurde in zwei Untervarianten unterteilt. Bei einer Untervariante erfolgte vor dem Beschichten eine zusätzliche Vorbehandlung durch Nassstrahlen. Bei der anderen Untervariante erfolgte kein Nassstrahlen. Für die durch die Schneidkantenpräparation zu erzielenden Schneidkantenradien rβ und Formfaktoren K wurde für alle Varianten, an denen eine Schneidkantenpräparation erfolgte, ein gleichbleibender Wert festgelegt. Somit waren Unterschiede im Einsatzverhalten der Werkzeuge nicht auf die Eigenschaften der Mikrogeometrie der Werkzeuge zurückzuführen, sondern auf die fertigungsinduzierten Eigenschaften des Schicht-Substrat-Verbunds zurückzuführen.

Parallel zur Fertigung der VHM-Schaftfräser wurde die Fertigungshistorie der Werkzeuge analysiert. Dazu erfolgten nach jedem Fertigungsschritt Messungen der mikrogeometrischen Werkzeugmerkmale. Somit wurde es ermöglicht, spätere Unterschiede im Einsatzverhalten der Werkzeuge auf Prozessschritte entlang der Fertigungshistorie zurückzuführen.

Transmissionenelektronenmikroskopische Analysen an Proben der acht Werkzeugvarianten zeigten die Beeinflussung von Merkmalen des Schicht-Substrat-Verbunds durch die Herstellungsprozesskette. Es wurden sowohl Mischungsvorgänge zwischen der Schicht und dem Kobaltbinder als auch zwischen der Schicht und den WC-Körnern identifiziert. Die Auswirkungen der Vorbehandlungen durch ein vorbereitendes Nassstrahlen vor dem Beschichten auf die Merkmale der Verbindung von Schicht und Substrat waren von dem zuvor angewandten Kantenpräparationsprozess abhängig.

Das Einsatzverhalten der Werkzeuge wurde in Zerspanuntersuchungen analysiert. Dazu erfolgte der Einsatz von je zwei Werkzeugen jeder Herstellungsroute bei der Zerspanung der Werkstoffe X6CrNiMoTi17-12-2 und 42CrMo4+QT durch Umfangsfräsen Die Auswertung erfolgte nach den Zerspanbarkeitskriterien: Werkzeugverschleiß, Zerspankraft, Spanform, Oberflächengüte. Die Auswirkungen des Kantenpräparationsverfahrens auf das Einsatzverhalten der Werkzeuge war vom zerspanten Werkstoff abhängig. Bei der Zerspanung von 42CrMo4+QT wirkte sich die Schneidkantenpräparation durch „Gleitschleifen-Nassstrahlen“, „keine Kantenpräparation-Nassstrahlen“ und „Bürsten-keine Vorbehandlung“ sowie „Strahlen-keine Vorbehandlung“ günstig auf die Entwicklung des Werkzeugverschleißes aus. Bei der Zerspanung von X6CrNiMoTi17-12-2 wurden die besten Ergebnisse mit Werkzeugvarianten mit schleifscharfer Schneidkante und mit Werkzeugen der Prozesskette „Bürsten-keine Vorbehandlung“ erzielt.

Es wurde ein Gestaltungsmodell auf Basis der Fertigungskostenrechnung erstellt, welches es ermöglicht, die wirtschaftlichste Prozesskette in Abhängigkeit von den durch die VHM-Schaftfräser erzielten Standwegen zu identifizieren. Auf Basis der Ergebnisse der Zerspanuntersuchungen und des Gestaltungsmodells wurden Prozessketten abgeleitet, die potenziell geeignet sind, Werkzeuge zu fertigen, die sich gegenüber aktuell im Einsatz befindlichen Werkzeugen durch eine höhere Leistungsfähigkeit oder geringere Kosten auszeichnen. Für die Zerspanung in 42CrMo4+QT waren dies die Prozessketten Schleifen à Gleitschleifen à Nassstrahlen à Beschichten und Schleifen à Bürsten à Beschichten. Für die Zerspanung in X6CrNiMoTi17-12-2 waren dies die Prozessketten Schleifen à Bürsten à Beschichten und Schleifen à Strahlen à Beschichten. Ein ökonomisches Gestaltungsmodell wurde in Microsoft® Excel® implementiert, um Unternehmen dabei zu unterstützen, die für sie individuell wirtschaftlichste Prozesskette abzuleiten.

Zur Validierung der mithilfe des Gestaltungsmodells identifizierten Prozessketten wurden bei den Industriepartnern Werkzeuge gefertigt und in Zerspanuntersuchungen eingesetzt. Ihr Einsatzverhalten wurde in industriell üblichen Prozessketten gefertigten Referenzwerkzeugen gegenübergestellt. Alle Werkzeuge erzielten den für die Versuchsreihen festgelegten maximalen Standweg. Es wurden keine Schneidkantenausbrüche und nur geringer Freiflächenverschleiß festgestellt. Die Identifikation der Prozessketten zur Herstellung von für den Anwendungsfall optimierten Werkzeugen ist somit erfolgreich auf die industrielle Werkzeugherstellung übertragen worden. Bei der Zerspanung von 42CrMo4+QT wurde durch die Anwendung des Gestaltungsmodells eine Reduzierung des Werkzeugverschleißes gegenüber dem Referenzwerkzeug festgestellt.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist erreicht worden.