Abstimmung der Präparationsprozesse in der Herstellungskette von PVD-beschichteten Vollhartmetall-Wendelbohrern

Wolf, M.

Die Werkzeugpräparation, bestehend aus Schneidkantenpräparation, Vorbehandlung und Schichtnachbehandlung, stellt eine der zentralen Technologien zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von Zerspanungswerkzeugen dar. Die anwendungsorientierte Schneidkantenpräparation hat hierbei zum Ziel, die Schneidkante auf die Belastungssituation des spezifischen Zerspanungsprozesses abzustimmen. Mithilfe der Schichtnachbehandlung können die Oberflächentopographie sowie die mechanischen Eigenschaften der Beschichtung verbessert werden. Trotz der Kenntnis über die positive Wirkung dieser beiden Prozessschritte der Werkzeugherstellung besteht bei der Schneidkantenpräparation vor allem für komplexe Zerspanungsprozesse noch ein erheblicher Forschungsbedarf. Für die Nachbehandlung von Arc-PVD-Beschichtungen wie auch für die Wechselwirkungen aus Schneidkantengestalt und Schichtnachbehandlung sind kaum systematische, wissenschaftliche Untersuchungen bekannt.

Im Rahmen dieser Arbeit wird daher eine auf dem Nassstrahlspanen basierende Präparationsstrategie zur Präparation von Vollhartmetallwendelbohrern erarbeitet, bei der nicht nur eine Optimierung der Einzelprozesse, sondern auch eine Abstimmung der Präparationsprozesse aufeinander erfolgt. Der Fokus der Schneidkantenpräparation liegt in diesem Zusammenhang auf der Untersuchung asymmetrischer Schneidkantengestalten für die Bearbeitung von Vergütungsstählen. Im Bereich der Hauptschneide und Schneidenecke ist eine asymmetrische Verrundung mit einem Formfaktor von Κ > 1 zielführend, da hierdurch Materialquetschungen vor der Schneidkante und in der Folge auch der Verschleiß deutlich reduziert werden können. Im Bereich von sekundärer Hauptschneide und Querschneide ist hingegen eine symmetrische Verrundung mit geringerer Verrundungsgröße als geeignet einzustufen. Bei der Nachbehandlung von Arc-PVD-Beschichtungen hat vor allem der Strahldruck einen deutlichen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis. Ein höherer Strahldruck führt zu einer deutlichen Reduzierung von Droplets und zu einer generellen Reduzierung der Oberflächenrauheit. Gleichzeitig steigt aber auch die Gefahr von Schichtdefekten im Bereich der Schneidkante. Die Bedeutung der Strahldauer ist im Vergleich geringer. Durch den Einsatz einer angepassten Nachbehandlungsstrategie kann die Leistungsfähigkeit im Vergleich zu Werkzeugen ohne Schichtnachbehandlung signifikant gesteigert werden.

Aus den Prozessen Schneidkantenpräparation und Schichtnachbehandlung ergeben sich jedoch auch Wechselwirkungen. So weisen die als zielführend eingestuften asymmetrischen Schneidkantengestalten mit einem Formfaktor von Κ > 1 einen scharfkantigen Übergangsbereich des kürzeren Schneidkantenabschnittes in die Freifläche auf. Dieser Bereich führt zu einer ungleichmäßigen Schichtanlagerung, sodass es infolge der Schichtnachbehandlung häufig zu einer Freilegung des Substrates in diesem Bereich kommt. Durch die Anwendung einer angepassten Vorbehandlungsstrategie ist jedoch eine Anpassung dieses Übergangsbereiches möglich, ohne die durch die Schneidkantenpräparation eingestellte Schneidkantengestalt deutlich zu verändern. Durch eine derart abgestimmte Präparationsstrategie können Beschichtungsdefekte weitestgehend vermieden werden.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2019, ISBN: 978-3-8027-8913-7