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 der jeweiligen Oberfläche von Werkzeug, Werkstück und Span. Das Gesamtziel des Teilprojekts in der ersten Förderperiode war die Identifizierung der Wirkzusammenhänge zwischen der Umgebungsatmosphäre des Zerspanprozesses, den resultierenden oxidationsbedingten Verschleißeffekten und der Beeinflussung von Reaktionsprodukten auf der Bauteiloberfläche. Zunächst wurden Prozesskammern zur Realisierung von Dreh- und Fräsbearbeitungen unter gezielt einstellbarer Atmosphäre entwickelt.

Beim Fräsen in einer Atmosphäre, die hinsichtlich des Sauerstoffgehalts einem extrem hohen Vakuum entspricht (XHV-adäquat), wurden Prozessfenster mit reduzierter Adhäsion am Werkzeug und somit zur Steigerung der Werkzeugstandzeit ermittelt. Im Drehprozess bewirkt die XHV-adäquate Atmosphäre eine Verringerung der Spansegmentierung und eine deutlich günstigere thermomechanische Werkzeugbelastung, was zu einer signifikanten Steigerung der Standzeit führt. Darüber hinaus wurde ein Einfluss der Atmosphäre auf die Oberflächenentstehung in der Titanzerspanung sowie auf resultierende Oberflächen- und Randzoneneigenschaften (O+R-Eigenschaften) festgestellt. In Lebensdaueruntersuchungen wurde zudem ein signifikanter Anstieg der Bruchlastspielzahlen der in XHV-adäquater Atmosphäre gefertigten Titanbauteile gegenüber den in Luft gefertigten Bauteilen beobachtet. Die Ursachen und die Wirkmechanismen sind allerdings noch nicht vollständig erforscht.

Ziele

Das Ziel der zweiten Förderperiode ist es, die wissenschaftlichen Grundlagen hinsichtlich der grundlegenden Wirkmechanismen, z. B. der lokalen Kontakt- und Reibbedingungen, bei der Zerspanung in XHV-adäquater Atmosphäre zu schaffen. Es ist angestrebt in Kooperation mit den Teilprojekten A02, A03, C03, C04 und C05 die tribochemischen und plasto-mechanischen Vorgänge in den Zonen der Spanentstehung, wie der primären und sekundären Scherzone, in Abhängigkeit der Atmosphäre zu verstehen. Durch die gezielte Variation von Kontaktlängen, Werkzeuggeometrie und Prozessstellgrößen werden die lokalen Spannungen, Reibung und Temperaturen untersucht. Das resultierende Wissen könnte bspw. zur Maximierung der Zerspanleistung in Abhängigkeit der Werkzeug-Werkstoff-Paarung genutzt werden.

Ein weiterer Fokus liegt auf der Untersuchung der resultierenden O+R-Eigenschaften des Bauteils. Hierfür wird die vorhandene Versuchseinrichtung hinsichtlich der Integration einer Hochgeschwindigkeitskamera zur Aufnahme des Spanbildungsvorganges sowie der Applizierung einer Thermografiekamera zur Analyse der thermischen Belastung erweitert. Basierend auf den erlangten Erkenntnissen werden empirisch-analytische Modellierungsansätze hinsichtlich der einzelnen Wirkmechanismen bei der Zerspanung in XHV-adäquater Atmosphäre und dem resultierenden Werkzeugverschleiß entwickelt. Zudem wird eine modellbasierte Prognose der Oberflächentopografie infolge der Zerspanung in XHV-adäquater Atmosphäre erarbeitet. Abschließend werden die Kenntnisse auf andere Schneidstoff-Werkstoff-Paarungen übertragen und die Modellansätze erweitert, um werkstoffübergreifende Prozessfenster zur Quantifizierung der Wirkmechanismen sowie der O+R-Eigenschaften in Abhängigkeit der Atmosphäre abzuleiten.

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