Systematische Untersuchung von Vollhartmetall-Wendelbohrern zum Bearbeiten von Inconel 718

Beer, N.

Insbesondere bei der Bohrbearbeitung der Nickelbasislegierung Inconel 718 werden durch die Eigenschaften des Werkstoffes hohe Anforderungen an die eingesetzten Zerspanungs¬werkzeuge gestellt. So bedingen die hohe Festigkeit, die geringe Wärmeleitfähigkeit sowie die Neigung zur Kaltverfestigung hohe thermomechanische Belastungen. Gleichzeitig unterliegen die Werkzeuge einem hohen Abrasivverschleiß infolge der im Gefüge vorliegenden Phasen. Diese Randbedingungen schränken die erreichbaren Standwege und Zerspanraten bei der Bohrbearbeitung deutlich ein. Gleichzeitig müssen meist hohe Qualitätsanforderungen für die erzeugten Bohrungen erfüllt werden, da Inconel 718 aufgrund seiner Eigenschaften häufig für sicherheitskritische Bauteile, beispielsweise im Flug¬gasturbinenbau, genutzt wird.

Untersucht wird im Rahmen dieser Arbeit die Bohrbearbeitung mit Vollhartmetall-Wendel¬bohrern. Ziel ist die Vertiefung des Prozessverständnisses durch eine gezielte Analyse verschiedener Einflussgrößen, aber auch der vorhandenen Wechselwirkungen untereinander, indem die geeigneten Gestaltungen mehrerer Einflussgrößen kombiniert werden. Darüber hinaus wird auch die thermomechanische Belastung näher untersucht sowie die Möglich¬keiten der Freiflächengestaltung durch Laserbearbeitung. Neben der Prozessführung in Form der Schnittparameter und der Kühlschmierstoffzuführung steht vorwiegend die mikro- und makroskopische Gestaltung der Bohrwerkzeuge im Vordergrund der Untersuchungen. Hierzu zählen unter anderem die Ausführung der Führungsfasen hinsichtlich Anzahl und Breite, die Werkzeugverjüngung, die Spannuttopographie und die Werkzeugbeschichtung sowie die Schneidkantenpräparation. Weitere Größen sind der Drallwinkel, der Freiwinkel und der Durchmesser der Kühlkanäle. Darüber hinaus werden auch unterschiedliche Hartmetall¬substrate eingesetzt.

Die Untersuchungen zur thermomechanischen Belastung zeigen erhebliche Unterschiede im Vergleich zur Stahlbearbeitung. Neben einer insgesamt erhöhten Belastung steigt im Besonderen die mechanische Belastung der äußeren Bereiche durch die Vorschubkraft. Gleichzeitig treten hohe Temperaturen auf, die jedoch trotz Trockenbearbeitung nicht zu einer thermischen Entfestigung und somit zu einer geringeren mechanischen Belastung führen. Die Untersuchungen zur Werkzeuggestaltung zeigen, dass bereits durch die Anpassung einzelner Gestaltungselemente erhebliche Verbesserungen sowohl hinsichtlich der erreichbaren Standwege als auch der resultierenden Bohrungsqualität, die anhand der Rund- und der Rauheit sowie dem Zustand der Randzone beurteilt wurde, erreichbar sind. Die Berücksichtigung der Wechselwirkungen zeigt jedoch, dass diese ebenfalls beachtet werden müssen. Einzelne Elemente schränken das Leistungsvermögen der Werkzeuge ein, weshalb keine weiteren Verbesserungen insbesondere hinsichtlich des Standweges gegenüber der Variation einzelner Merkmale erreicht werden konnten. Darüber hinaus kann durch Verwendung der Laserbearbeitung das Einsatzverhalten der Bohrwerkzeuge erheblich verbessert werden. Eine in die Freifläche eingebrachte Nut schränkt den Anstieg des Freiflächenverschleißes ein und verbessert wesentlich die Versorgung der hochbelasteten Schneidenecke mit Kühlschmierstoff, wie durch CFD-Simulationen bestätigt werden konnte. Die Standwege steigen um bis zu 50 % bei einer gleichzeitig verbesserten Bohrungsgüte.

Insgesamt kann durch das erweiterte Prozessverständnis die Bohrbearbeitung im Vergleich zum ursprünglichen Prozess deutlich verbessert werden. Neben einer höheren Produktivität ermöglichen gezielte Anpassungen höhere Standwege bei gesteigerter Qualität. Andere Elemente schränken die Leistungsfähigkeit jedoch weiterhin ein, so dass noch erhebliches Entwicklungspotential bei der Bohrbearbeitung von Inconel 718 vorliegt.

Veröffentlicht als

Dissertation, Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2016, ISBN 978-3-8027-8784-3