Tiefbohren von hochfesten und schwer zerspanbaren Werkstoffen mit kleinsten Durchmessern

Kirschner, M.

In der industriellen Praxis werden hochbelastbare und leistungsfähige Werkstoffe zur Verbesserung der Bauteileigenschaften und Erhöhung der Ressourceneffizienz stets nachgefragt und halten in anspruchsvollen Anwendungen kontinuierlich Einzug. Zwei Werkstoffgruppen, die in diesem Zusammenhang in den Fokus der Automobil-, Luft,- und Raumfahrtindustrie sowie weiterer Anwendungsbranchen gelangt sind, sind hochfeste bainitische Stähle und hochtemperaturfeste Nickelbasislegierungen. Den herausragenden Materialeigenschaften steht dabei eine besonders schwierige Zerspanbarkeit dieser Werkstoffe gegenüber. Eine wirtschaftliche Fertigung ist jedoch eine notwendige Voraussetzung, um das Potenzial der Verwendung von hochfesten bainitischen Stählen und hochtemperaturfesten Nickelbasislegierungen vollständig ausschöpfen zu können. Eine Anpassung und Weiterentwicklung bestehender Fertigungstechnologien ist daher unerlässlich. In der vorliegenden Arbeit wird die Erzeugung von Tiefbohrungen mit kleinsten Durchmessern und großen Länge-zu-Durchmesser-Verhältnissen unter Einsatz mechanischer Verfahren detailliert untersucht. Das Einlippen- und Wendeltiefbohren mit kleinsten Werkzeugdurchmessern bringt dabei zusätzliche Problematiken in Form sehr geringer Werkzeugsteifigkeiten, hoher mechanischer Werkzeugbelastungen aufgrund der begrenzt realisierbaren Vorschubraten und der folglich hohen Quetsch- und Reibvorgänge im Bereich der Schneidkantenverrundung sowie eines erschwerten Spanabtransportes durch die limitierten Spanraumquerschnitte mit sich. Zur Begegnung der umfassenden werkstoff- und verfahrensspezifischen Herausforderungen und zur Erzielung einer prozesssicheren und produktiven Tiefbohrbearbeitung erfolgt für beide Werkstoffgruppen eine dezidierte Werkzeug- und Prozessauslegung. In den experimentellen Untersuchungen wird der Einfluss der Schnittdaten, der Werkzeuggestalt hinsichtlich des Schneidenanschliffes, der Zusammensetzung der Werkzeugbeschichtung und der Schichtdicke sowie des Kühlschmierstoffes für das Einlippentiefbohren evaluiert. Darüber hinaus zeigt eine Gegenüberstellung des Einlippen- und Wendeltiefbohrens die Vor- und Nachteile beider Verfahren auf. Zur Bewertung der unterschiedlichen Einflussgrößen wird eine umfangreiche Analyse der mechanischen Werkzeugbelastungen, der Spanbildung, des Werkzeugverschleißes und der Bohrungsqualität hinsichtlich der Maß- und Formtoleranzen und der Oberflächenqualität durchgeführt. Eine neu entwickelte Analysemethodik ermöglicht zudem erstmals eine tiefergehende Betrachtung der Spanformung an den Werkzeugschneiden sowie des Spanabtransportes entlang der Spannuten beim Tiefbohren mit kleinsten Durchmessern. Hierbei werden Werkstoffproben aus dem jeweiligen Versuchsmaterial in blickdurchlässige Acrylglasträger eingebracht und die Spanbildungsvorgänge im Bereich der Wirkstelle mithilfe der Hochgeschwindigkeitsmikroskopie dokumentiert. Der Einsatz der Hochgeschwindigkeitsspanbildungsanalyse trägt gleichzeitig zu einer deutlichen Steigerung des allgemeinen Prozessverständnisses bei. Eine abschließende Gegenüberstellung der charakteristischen Prozesskenngrößen und der technologischen Zusammenhänge für das Tiefbohren von hochfesten bainitischen Stählen und hochtemperaturfesten Nickelbasislegierungen mit kleinsten Durchmessern verdeutlicht das stark voneinander abweichende tribologische Einsatzverhalten. Die differierenden Verschleißmechanismen und damit verbundenen Verschleißerscheinungsformen resultieren in sehr individuellen Anforderungen an eine effiziente Werkzeug- und Prozessauslegung. Basierend auf den erarbeiteten Ergebnissen werden Empfehlungen für die industrielle Praxis abgeleitet, die zukünftig eine stabile und wirtschaftliche mechanische Fertigung von Tiefbohrungen mit kleinsten Durchmessern unter gleichzeitiger Realisierung einer hohen Bohrungsqualität für beide Werkstoffgruppen ermöglichen.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2016, ISBN 978-3-8027-8791-1, URI: http://hdl.handle.net/2003/35829