Untersuchungen zum Führungsleistenverschleiß und zur Prozessdynamik beim BTA-Tiefbohren austenitischer Stähle

Abrahams, H.

Das BTA-Tiefbohren kommt als produktives Verfahren für die Herstellung tiefer Bohrungen beispielsweise bei der Fertigung von Hydraulikzylindern oder Getriebewellen zum Einsatz. Typische Anwendungsgebiete für die zu bearbeitenden Bauteile sind durch die chemische Industrie und die Offshore-Technik gegeben. In diesen Bereichen sind oftmals Werkstoffe erforderlich, die aufgrund der Umgebungsbedingungen chemisch beständig sein müssen. Aus diesem Grund kommen häufig hochlegierte Stähle wie die austenitischen Stähle zum Einsatz. Diese Werkstoffgruppe verursacht beim BTA-Tiefbohren einen starken Verschleiß an den Führungsleistenoberflächen, durch den die Standzeit des Werkzeugs und die Oberflächengüte der erzeugten Bohrung reduziert werden. Darüber hinaus ist der Tiefbohrprozess austenitischer Stähle durch signifikante Torsionsschwingungen des Bohrrohres gekennzeichnet, durch die sich die Gefahr eines Schneidenbruches infolge der dynamischen mechanischen Beanspruchung deutlich erhöht. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgten grundlegende Analysen zum Führungsleistenverschleiß und der Prozessdynamik beim BTA-Tiefbohren des austenitischen Stahls X5CrNi18-10. Hierbei wurden experimentelle Untersuchungen zur Erfassung der im Prozess vorliegenden mechanischen, thermischen und tribologischen Beanspruchungen durchgeführt. Konventionelle unbeschichtete und TiN-beschichtete Führungsleisten weisen einen hohen Reibkoeffizienten gegen den austenitischen Stahl auf und führen zu einer verminderten Bohrungsgüte. Hierbei tritt ein adhäsiver Verschleiß an der Führungsleistenoberfläche auf. Der Prozess ist darüber hinaus durch Schwingungen gekennzeichnet, die auf die schlechten tribologischen Kontaktbedingungen zwischen der Bohrungswand und den Führungsleisten und vor allem auf die segmentierte Spanbildung an den Schneiden zurückzuführen sind. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse wurden angepasste Werkzeuglösungen entwickelt und in Einsatzversuchen getestet. Die Optimierung der Führungsleisten für die genannte Bearbeitungsaufgabe beinhaltet die Anpassung der Gestalt durch die Verrundung des axialen Einlaufbereiches der Leiste sowie die Verwendung einer reibungsmindernden ta-C-Beschichtung. Diese Kohlenstoffbeschichtung weist bei einer ausreichend hohen Härte eine gute Verschleißbeständigkeit auf. Durch den Gitteraufbau der Schicht wird die für den Adhäsionsverschleiß verantwortliche Bildung atomarer Bindungen zwischen Werkzeug- und Werkstückoberfläche unterdrückt. Die höhere Verschleißbeständigkeit führt insbesondere bei kleineren Führungsleistenradien zu einer verbesserten Oberflächengüte der erzeugten Bohrung. Um die primär durch die Spanbildung verursachten Torsionsschwingungen zu reduzieren, bietet ein Bohrrohr aus faserverstärktem Kunststoff großes Potenzial. Durch die Verwendung eines mehrlagigen Aufbaus unterschiedlicher Fasern kann ein hoher Dämpfungseffekt erzielt werden, der die am Bohrkopf vorliegende dynamische Belastung reduziert und die Gefahr eines spontan auftretenden Werkzeugversagens verringert. Der Einsatz dieses Rohres führt darüber hinaus zu einer gleichmäßigeren Spansegmentierung und einer geringeren thermischen Belastung für die Führungsleisten.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2016, ISBN 978-3-8027-8792-8