Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide
Die Zerspanung mit geometrisch definierter Schneide ist ein trennendes Fertigungsverfahren, das durch eine definierte Anzahl und Geometrie der eingesetzten Werkzeugschneiden gekennzeichnet ist. Der Materialabtrag vollzieht sich durch das Eindringen der Werkzeugschneide in das Werkstückmaterial. Die Relativbewegung in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück führt zur mechanischen Belastung beider Kontaktpartner. Zur Abführung der dabei entstehenden Wärme und zur Reduzierung der umgesetzten Reibungsarbeit werden in Zerspanprozessen häufig Kühlschmiermittel eingesetzt. Problematisch ist dabei die gezielte Zuführung des Kühlschmierstoffs in die Wirkzonen der Zerspanung.
Das iWFT beschäftigt sich mit der Optimierung von Zerspanprozessen und hat dabei unter anderem die zielgerichtete Zufuhr der Kühlschmierstoffe im Fokus. Beispielhaft ist im Folgenden eines der Forschungsprojekte vorgestellt.
Forschungsprojekt
Optimierte KSS-Zufuhr beim Quer-Einstech-Drehprozess
Das Quer-Einstech-Drehen stellt in Bezug auf die Spanbildung einen besonders kritisch anzusehenden Prozess dar. Es besteht die Problematik, dass der abfließende Span das Werkzeug nach oben abdichtet. Wird der Kühlschmierstoff konventionell von oben zugeführt, so wird die Zerspanstelle lediglich überflutet. Unter diesen Bedingungen ist eine direkte Kühlung der Schneidkante und der Spanflächenkontaktzone nicht vorhanden, da in erster Linie die Spanoberseite mit dem KSS in Kontakt kommt. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass sich lange Bandspäne zwischen den Nutenflanken verklemmen und zu einem starken Werkzeugverschleiß bis hin zum Werkzeugbruch führen.
Mittels eines neu entwickelten modularen Systems konnte das IWFT eine systematische Analyse der Wirkzusammenhänge des Kühlmittelstrahls mit dem Span durchführen. Ziel dabei war es, den Spanbruch beim Quer-Einstech-Drehprozess durch eine gezielte KSS-Zufuhr unter Hochdruck zu optimieren. In den durchgeführten Versuchsfeldern wurden der Düsendurchmesser, die Düsenpositionierungen sowie die Anzahl der Düsenaustritte variiert.
Für die Versuchsreihen im Zerspanlabor wurden die modular aufsetzbaren Düsen additiv durch selektives Lasersintern aus Edelstahl gefertigt. Die additive Herstellung erlaubt eine strömungsoptimierte Konstruktion der Düsenkanäle. Im Vergleich zu konventionell hergestellten und verstopften Kühlkanalstrukturen werden Druckverluste durch Umlenkung und Beschleunigung des KSS minimiert. Daher kann eine gute Strahlwirkung erzielt werden.
Die Untersuchungen zeigten, dass mittels einer effizienten KSS-Zufuhr sowohl die Spanlenkung als auch der Spanbruch sehr gezielt beeinflusst werden kann. Damit lassen sich Prozesssicherheit und Produktivität deutlich erhöhen. Ein solches System bringt auf der einen Seite hohe Kosten mit sich, auf der anderen Seite ist jedoch das Potential durch die Verbesserung von Spanformung und Spanbruch groß.
Projekte
Eine zielgerichtete Präzisionswerkzeugentwicklung erfordert die Kenntnis des Einflusses thermophysikalischer Eigenschaften von Hartstoffschichten auf die Reibungseigenschaften im Bereich der Wirkzone an der Spanfläche. Das Kontaktverhalten in der sekundären Scherzone wird maßgeblich durch eine Wechselwirkung zwischen Materialtemperatur und Reibung beeinflusst. In einem Kooperationsprojekt mit der Ceratizit Austria GmbH wurde dieser Zusammenhang auf Basis von linear-orthogonalen Zerspanversuchen mit einer Analyse der Schnitt- und Vorschubkräfte sowie der Spandicke ermittelt. mehr lesen
Das iWFT beschäftigt sich unter anderem mit der Optimierung von Zerspanprozessen. Neben verschiedenen Projekten zum Quer-Einstech-Drehen und der zugehörigen zielgerichteten Kühlschmierstoffzufuhr aus der Vergangenheit gehören auch die Analyse der Funktionsweisen von Zerspan- und Sonderwerkzeugen zum Portfolie des iWFT. So wird beispielsweise die Funktionsweise von gratminimalen Bohrwerkzeugen mit Einsatztests, Hochgeschwindigkeitsaufnahmen sowie der Aufnahme von Kraft- und Torsionswerten im Prozess analysiert. Das Bearbeitungsergebnis wird mithilfe verschiedener Analysemethoden im Nachgang bewertet. mehr lesen
Die Forschungstätigkeiten des iWFT umfassen:
- Analyse des Zerspanprozesses durch Prozessbeobachtung mit Hochgeschwindigkeitsaufnahmen und der messtechnischen Erfassung von Kräften und Temperaturen
- Zerspanbarkeitsuntersuchungen von Werkstoffen mit hochauflösenden Bildanalysen aus der Scherzone und der messtechnischen Erfassung des Verformungsverhalten bei der Spanbildung
- Analyse und Prozessoptimierung bei Zerspanungsproblemen industrieller Anwender
- Auslegung und Optimierung von Werkzeuggeometrie, Prozessparametern und Kühlschmierstoffzufuhr
- Analyse und Optimierung von Strömungskanälen durch CFD-Simulation
- Untersuchung und Optimierung von Werkzeugverschleiß, Spanbildung und -bruch sowie Beeinflussung des Werkstoffgefüges
