Fortschritte bei der Bearbeitung von Composites durch Diamantwerkzeuge CFK/Titan-Compounds bohren – das Ergebnis

Redakteur: Matthias Böhm

>> Im ersten Teil (SMM 13/2014) dieses zweiteiligen Aufsatzes wurden die Anforderungen an die Zerspanwerkzeuge dargelegt, wenn es darum geht, kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) allein oder als Paket mit Titan und Aluminium zu bohren. In diesem zweiten Teil werden konkret die Testergebnisse präsentiert, wie sich PKD- und Hartmetallbohrer beim Zerspanen von Verbundwerkstoffen verhalten.

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Bild 2: Zunahme der Grathöhe im Verhältnis zur Anzahl der Bohrungen aufgrund von Werkzeugverschleiss.
Bild 2: Zunahme der Grathöhe im Verhältnis zur Anzahl der Bohrungen aufgrund von Werkzeugverschleiss.
(Bild: Kennametal)

In diesem zweiten Teil (Teil 1 erschienen in SMM 13/2014) werden die entwickelten PKD-Werkzeuge in Zerspanungsversuchen getestet. Hier werden die am besten geeigneten PKD-Sorten und Schneidengeometrien für die angestrebten Bearbeitungen erörtert.

Testaufbau und Zerspanungsparameter

Der Testaufbau und die Zerspanungsparameter stellen sich wie folgt dar:

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Die Testwerkzeuge

Gelöteter PKD-Bohrer mit einem Durchmesser von 11,113 mm und drei verschiedenen PKD-Sorten (G4, KD1415 und KD 1425) und zum Vergleich ein unbeschichteter Vollhartmetall-Bohrer der gleichen Geometrie.

Der Testwerkstoff

Der Testwerkstoff besteht aus einer kommerziell erwerbbaren 8,7 mm dicken CFK-Platte (Isokarbon 3K), die über Schrauben fest mit einer 10,8 mm starken TI-6Al-4V-Platte verbunden ist. Der Bohrungseintritt der Testwerkzeuge liegt auf der CFK-Seite, der Bohrungsaustritt auf der Titanseite.

Die Werkzeugmaschine und Kühlung

Es kommt ein CNC-Bearbeitungszentrum (Heckert CWK 400) mit horizontaler Spindel und Minimalmengenschmierung durch die Spindel (Vascomill MMS FA2) zum Einsatz.

Die Schnittwerte

Sowohl für CFK als auch für Titan liegen die Schnittwerte bei 20 m/min Schnittgeschwindigkeit und 0,05 mm Vorschub pro Umdrehung. Die Versuche fanden ohne Rückzugszyklen zum Spanbrechen statt.

Die Werkzeugüberwachung

Um den Werkzeugverschleiss zu überwachen, wurden die Testwerkzeuge nach dem Bohren von jeweils vier Löchern unter dem Mikroskop untersucht. Eine Untersuchung des Verschleisses unter dem Rasterelektronenmikroskop erfolgte nach dem Bohren von 24 Löchern.

Die Messung der Bohrungen

Nach Abschluss der Zerspanungsversuche wurden die Testplatten gereinigt und markiert. Alle Bohrungen wurden untersucht. Bei jeder Bohrung wurde der Bohrungsdurchmesser an vier verschiedenen Stellen gemessen, in der CFK- und in der Titan-Schicht jeweils in der Nähe der Eintritts- und der Austrittsflächen. Die Höhe der Gratbildung an der Unterseite der Titanschicht wurde ebenfalls messtechnisch erfasst.

Ergebnis und Auswertung

Eine lange, prozesssichere und gleichmässige Werkzeuglebensdauer ist der Schlüsselfaktor, der über den Erfolg eines Werkzeuges entscheidet. Beim Bohren der CFK/Titan-Composite-Werkstoffe müssen einige Anforderungen gleichzeitig erfüllt sein, um eine gute Bohrungsqualität zu erreichen.

Die Bohrung muss eng toleriert sein, um das Befestigungselement aufzunehmen. Der Austrittsgrat muss innerhalb einer bestimmten Höhe liegen, um das Entgraten zu erleichtern oder ganz überflüssig zu machen. Durch einen Totalausfall des Werkzeugs kann die Bohrung beschädigt werden, der Verschleiss des Werkzeugs selbst kann so gravierend sein, dass man es nicht wieder aufbereiten kann. Um dies zu vermeiden, müssen Eckenausbrüche minimiert und überwacht werden.

Folgende Kriterien definieren, wann die Standzeit des Werkzeugs erreicht ist:

  • Bohrungsdurchmessertoleranz von 11,113 + 70 μm (H10)
  • Gratbildung von maximal 0,2 mm und
  • Auftreten von Eckenausbrüchen.

Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Standzeit der Bohrer meist durch Eckenausbrüche oder zu hohe Gratbildung limitiert war. Die genannten Qualitätsanforderungen wurden für alle in dieser Untersuchung getätigten Bohrungen erreicht.

Bohrungsdurchmesser

Abb. 1 zeigt den Bohrungsdurchmesser beispielhaft für ein untersuchtes PKD-Werkzeug. Bei jeder Bohrung wurde der Bohrungsdurchmesser an vier verschiedenen Stellen gemessen, in der CFK- und in der Titan-Schicht jeweils in der Nähe der Eintritts- und der Austrittsflächen.

Bohrung: Titan gleichmässig – CFK ungleichmässig

Es wird deutlich, dass der Bohrungsdurchmesser in der Titanschicht mittig in der festgelegten Toleranz liegt und nur in einem kleinen Bereich von 10 μm schwankt. Der Bohrungsdurchmesser beim Eintritt in die Titanschicht unterscheidet sich nur unwesentlich vom Durchmesser beim Austritt. In der CFK-Schicht hingegen ist ein relativ grosser Unterschied zwischen dem Bohrungsdurchmesser am Eintritt und dem Bohrungsdurchmesser am Austritt festzustellen.

Dieser Unterschied ist dadurch zu erklären, dass Späne die Bohrungswandung während des Abtransports beschädigen. Eine verbesserte Spankontrolle ist unverzichtbar, um diesen Problemen zu begegnen und die Einheitlichkeit der Bohrungsdurchmesser zu verbessern. Es ist schwierig, die Spankontrolle ausschliesslich über die Werkzeugauslegung in den Griff zu bekommen.

In der Praxis hat sich herausgestellt, dass der Einsatz von Rückzugszyklen zum Entspanen oder vibrationsunterstütztes Bohren dazu beitragen, die Spanlänge zu beeinflussen und die Beschädigungen zu verringern.

Toleranz: kein Unterschied zwischen PKD und HM

Die Ergebnisse zeigen, dass mit der vorgestellten Bohrergeometrie Bohrungen mit H10-Toleranzen realisiert werden können. Unter optimalen Zerspanungsbedingungen können bei gleichzeitiger hoher Prozesssicherheit sogar H8-Toleranzen erreicht werden. Eine Abhängigkeit der Bohrungsqualität vom Schneidkantenwerkstoff konnte nicht nachgewiesen werden. PKD- und Hartmetall-Werkzeuge mit gleichen Schneidengeometrien führen zu gleich guten Bohrungsqualitäten.

Gratbildung: Vorteil klar bei PKD

Wenn man sich die Ergebnisse der Bohrversuche bezüglich der Gratbildung und der Verschleissmechanismen anschaut, ist eine eindeutige Abhängigkeit vom eingesetzten Bohrerschneidkanten-Werkstoff festzustellen. Abb. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen einer Zunahme der Grathöhe bei steigender Anzahl der Bohrungen am Beispiel eines Vollhartmetallbohrers und zweier PKD-Bohrer (KD1415 und G4).

Es kann gezeigt werden, dass ein Hartmetallbohrer beim Austritt aus Titan bereits nach 14 Bohrungen starke Grate produziert. Beim Einsatz eines PKD-Bohrers traten die ersten Abweichungen von den Bohrungstoleranzen erst nach 57 bzw. 117 Bohrungen auf.

PKD-Bohrer mit geringerem Eckenverschleiss

Theoretisch betrachtet steht die Zunahme der Grathöhe in engem Zusammenhang mit dem Eckenverschleiss des Werkzeuges. Dies ergibt sich aus der grösseren Werkstoffhärte und des hieraus resultierenden langsameren Eckenverschleisses von PKD-Werkzeugen gegenüber Hartmetallwerkzeugen. (Der PKD-Bohrer hat einen wesentlich geringeren Eckenverschleiss als der Hartmetall-Bohrer.) Der Unterschied im Verschleiss der drei untersuchten PKD-Sorten erscheint gering. Die am häufigsten festgestellte Verschleissart der PKD-Sorten sind Ausbrüche der Schneidkanten/-ecken.

Die beste Sorte für diese Anwendung

Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Standzeiten der drei untersuchten PKD-Sorten. Wie man sieht, unterscheiden sich die Sorten G4 und KD1415 in Bezug auf die durchschnittliche Werkzeugstandzeit kaum voneinander. KD1415 zeigt eine gleichmässigere Standzeit und lässt sich am besten bearbeiten. Da so die Herstellungskosten des Werkzeugs reduziert werden, wird sie als die beste Sorte für diese Anwendung angesehen. Einen umfassenderen Überblick der Ergebnisse ist in dem Kasten «Im Fokus» dargestellt. <<

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