Teilprojekt B03 – Sonderforschungsbereich 1368: Sauerstofffreie Produktion

Ausgangslage

Werkzeugoberfläche beim Außenlängsdrehen von Ti-6Al-4V unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre

Bei der spanenden Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe wie Titanlegierungen entstehen hohe Temperaturen im Bereich der Wirkstelle zwischen Werkzeug und Werkstück. Die hohen Temperaturen und die Anwesenheit von Sauerstoff fördern die Bildung von Oxidschichten auf dem Werkzeug und bewirken eine starke Ausprägung adhäsiven Verschleißes. Die sich bildenden Oxidschichten werden aufgrund der Relativbewegung zueinander mechanisch zerstört und tragen damit in großem Maße zum Werkzeugverschleiß bei. Als Folge der hohen Temperaturen während der Zerspanung kommt es zudem zu tribochemischen Reaktionen zwischen den Wirkpartnern. Eine Kontamination der Späne mit Sauerstoff und anderen Elementen verhindert zudem die Wiederverwertung von Titanspänen und stellt somit eine zusätzliche Einschränkung der Ressourceneffizienz der gesamten Prozesskette dar. Wird die Oxidation bei hoch reaktiven Materialien durch die Abwesenheit von Sauerstoff unterdrückt, ist die Reduktion des adhäsiven Verschleißes zu erwarten. Darüber hinaus können Oberflächenreaktionen hervorgerufen werden, die bisher nicht möglich waren und eine Wiederverwertung von Titanspänen realisiert werden. Bisherige Forschungsarbeiten zu Fertigungsprozessen unter Schutzgasatmosphäre sind aufgrund des Restsauerstoffgehaltes innerhalb der Schutzgase nicht ausreichend, um grundlegenden Verständnis der Auswirkung von Sauerstoffabwesenheit auf Fertigungsprozesse zu erlangen.

Ziele

Das Ziel des Teilprojekts ist die Kenntnis der Wirkzusammenhänge zwischen der Umgebungsatmosphäre des Zerspanprozesses, resultierender oxidationsbedingter Verschleißeffekte und der Beeinflussung und Einstellung von Reaktionsprodukten auf der Bauteiloberfläche. Innerhalb des SFB werden somit die Fertigungsverfahren der Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide abgebildet. Es ergibt sich die Arbeitshypothese des Teilprojekts: Das Prozessverständnis der Zerspanung in XHV-adäquater Atmosphäre kann dazu genutzt werden, die auftretenden Oberflächenreaktionen bei der Zerspanung reaktiver Materialien gezielt zu steuern. Hohe Bedeutung kommt in diesem Zusammenhang dem Verschleißverhalten der Werkzeuge in XHV-adäquater Atmosphäre zu, da jenes das auf das Werkstück wirkende thermomechanische Lastkollektiv maßgeblich beeinflusst. Aufgrund der hohen Reaktivität des Werkstoffs und der industriellen Relevanz wird der Fokus auf die Zerspanung von Titanlegierungen gelegt. Die zentralen Fragestellungen sind daher: Wie wirkt sich die XHV-adäquate Atmosphäre auf den Zerspanprozess sowie den Werkzeugverschleiß aus und wie können Oberflächenreaktionen auf dem Bauteil durch eine gezielt eingestellte Zerspanatmosphäre gesteuert werden? Wie kann zudem die Ressourceneffizienz der gesamten Prozesskette gesteigert werden?

Versuchsaufbau für die Zerspanung mittels a) Drehbearbeitung und b) Fräsbearbeitung

Veröffentlichungen

Zeitschriftenbeiträge, begutachtet

Bergmann, B., Schaper, F. (2024): Study of the effect of oxygen level on tool wear in machining Ti-6Al-4V, CIRP Annals 73, pp. 41–44
DOI: 10.1016/j.cirp.2024.04.048
Demke, T. M., Emminghaus, N., Overmeyer, L., Kaierle, S., Klose, C., Thürer, S. E., Denkena, B., Bergmann, B., Schaper, F., Nyhuis, P., Kuprat, V. K. (2024): Approach for the monetary evaluation of process innovations in early innovation phases focusing on manufacturing and material costs, Production Engineering 18, pp. 169–189
DOI: 10.1007/s11740-023-01223-5
Denkena, B., Bergmann, B., Schaper, F. (2023): Investigation of chip formation of Ti–6Al–4V in oxygen-free atmosphere, The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 124, pp. 3601–3613
DOI: 10.1007/s00170-022-10655-9
Maier, H. J., Herbst, S., Denkena, B., Dittrich, M.-A., Schaper, F., Worpenberg, S., Gustus, R., Maus-Friedrichs, W. (2020): Towards Dry Machining of Titanium-Based Alloys: A New Approach Using an Oxygen-Free Environment, Metals 10, p. 1161
DOI: 10.3390/met10091161

Konferenzbeiträge, begutachtet

B. Denkena, M.-A. Dittrich, A. Krödel, J. Matthies, F. Schaper, S. Worpenberg (2021): Wear Behaviour of PCBN, PCD, Binderless PCBN and Cemented Carbide Cutting Inserts When Machining Ti-6Al-4V in an Oxygen-Free Atmosphere, In: Behrens, B.-A., Brosius, A., Hintze, W., Ihlenfeldt, S., Wulfsberg, J. P. (Hg.): Production at the leading edge of technology. Proceedings of the 10th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), Dresden, 23-24 September 2020. Springer Berlin, pp. 275–283
DOI: 10.1007/978-3-662-62138-7_28
ISBN: 978-3-662-62137-0
Denkena, B., Dittrich, M. A., Krödel, A., Worpenberg, S., Matthies, J., Schaper, F. (2020): Wear Behaviour of Coated Cemented Carbide Inserts in an Oxygen-Free Atmosphere when Machining Ti-6Al-4V, Defect and Diffusion Forum 404, pp. 28–35
DOI: 10.4028/www.scientific.net/DDF.404.28

Zeitschriftenbeiträge, nicht begutachtet

Denkena, B., Bergmann, B., Schaper, F. (2022): Einsatzverhalten von pCBN- und PKD-Werkzeugen bei der sauerstofffreien Titanzerspanung, Diamond Business, Ausgabe 82, 20–25

Konferenzbeiträge, nicht begutachtet

Denkena, B., Bergmann, B., Schaper, F. (2023): Untersuchung des Einflusses von Sauerstoff auf das Verschleißverhalten beim Fräsen von Titan, In: Clausthaler Zentrum für Materialtechnik (Hg.): Tagungsband 4 . Symposium Materialtechnik. Düren: Shaker Verlag.
ISBN: 978-3-8440-9105-2