Laserpräparation von Schneidkantenmikrogeometrien an pCBN-Werkzeugen

von Bernd Denkena, Thilo Grove, Alexander Krödel, IFW Hannover von 28. November 2018
Einfluss verschiedener Laserstrategien auf die Schneidkantenqualität
Werkzeuge aus polykristallinem kubischen Bornitrid (pCBN) werden aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit und chemischen Beständigkeit vorsätzlich zur Zerspanung gehärteter Stähle eingesetzt. Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit besitzen die eingesetzten Werkzeuge zumeist eine Schneidenmikrogeometrie, die sich aus einer Negativfase sowie einer definierten Schneidkantenverrundung zusammensetzt.

Die Herstellung dieser Schneidengeometrie erfolgt typischerweise durch mechanische Verfahren wie Querseitenplanschleifen und anschließende Strahl- oder Bürstverfahren. Aufgrund der hohen Härte von pCBN weisen die in den  genannten mechanischen Verfahren angewendeten Werkzeuge prinzipbedingt einen hohen Verschleiß auf, wodurch Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit eingeschränkt werden.

Die Laserbearbeitung mit Kurzpulslasern stellt in der Bearbeitung von pCBN-Werkzeugen eine Alternative dar, die sich durch weitestgehende Verschleißfreiheit und hohe geometrische Flexibilität auszeichnet.

Allerdings bestehen bisweilen nur wenige Erkenntnisse über den Einfluss der Laserbearbeitung auf die Schneidkantenqualität und das spätere Einsatzverhalten von pCBN-Werkzeugen. Innerhalb eines Forschungsprojekts werden aus diesem Grund derzeit am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover (IFW) die zugrundeliegenden Wirkmechanismen zwischen Laserbearbeitung, Schneidstoffeigenschaften sowie dem Einsatzverhalten untersucht. Im Folgenden werden Erkenntnisse zum Einfluss verschiedener Präparationsstrategien auf die Schneidkantenqualität sowie dem Einsatzverhalten im Hartdrehen vorgestellt.

Schneidkantenpräparation mittels Kurzpulslaser

Als Lasermaschine wurde eine DMG Mori Sauer Lasertec40 mit Nd:YVO4 Nanosekundenlaser (Pulsdauer 96ns) eingesetzt. Die verwendeten Werkzeuge wiesen die Spezifikation CNGA120408 auf. Für die Untersuchungen zur Schneidkantenpräparation wurde eine hoch pCBN-haltige Sorte mit einem CBN-Gehalt von 85% sowie einem W-Co-Al Binder eingesetzt. Vor der Schneidkantenpräparation wurden die Werkzeuge mittels Querseitenplanschleifen scharf geschliffen (S < 5µm). Weiterhin wurde als Referenz ein Werkzeug nach dem Schleifen mittels Bürstspanen präpariert, um einen Vergleich zur konventionellen Herstellmethode zu schaffen. Zunächst erfolgte eine Untersuchung des Einflusses der Abtragsstrategie auf die Schneidkantenqualität nach der Laserbearbeitung. Die Ergebnisse zeigt Abbildung 1. Als Referenzmikrogeometrie wurde bei allen Abtragsuntersuchungen sowie bei den über Schleifen und Bürsten hergestellten Werkzeugen eine Spanflächenfase ($$\gamma$$= 20°, b_$$\gamma$$ = 150µm) sowie eine Verrundung mit S $$\alpha$$/S$$\gamma$$ = 15/30µm festgelegt. Die Prozessparameter der Laserbearbeitung wurden für die Untersuchung der Laserstrategie konstant gehalten (Pm = 2,7W; vf = 600mm/s; f = 40kHz).
Bei der Erzeugung der Schneidkantengeometrie wird ein 3-dimensionales Schneidkantenmodell, das die Informationen Fasenwinkel, Fasenbreite und Schneidkantenmikrogeometrie enthält, gemäß des durch den Laser erreichten Schichtabtrags in eine Vielzahl von Abtragsebenen unterteilt, die nacheinander abgetragen werden. Innerhalb der jeweiligen Abtragsebenen werden die zu belichtenden Bereiche mit einzelnen Laserbahnen abgedeckt, so dass der gesamte Bereich abgetragen wird. Die Verteilung der Laserbahnen in einer Abtragsebene wird als Schraffur bezeichnet. Die in Abbildung 1 dargestellten Untersuchungsergebnisse zeigen den Einfluss verschiedener Schraffurarten sowie der Abfolge der Schraffur auf die Schneidkantenqualität (Ra, Rz, gemessen mittels Alicona Infinite Focus G5). Als Referenz sind die erreichten Kennwerte für eine gebürstete Schneidkante dargestellt.

Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, dass mittels reiner Schraffurstrategien (Kreuzschraffur, 3-Winkel sowie Zufallsschraffur) eine gegenüber der konventionellen Schneidkantenerzeugung verringerte Schneidkantenqualität erreicht wird. Hierbei wirkt sich insbesondere negativ aus, wenn die Laserbahnen orthogonal zur erzeugten Schneidkante verlaufen. Der hierbei zugrunde liegende Mechanismus ist in Abbildung 2 weiter veranschaulicht.

Einfluss der Ausrichtung der Laserbahnen auf die Schneidkantenqualität

Die eingesetzte Laserquelle weist eine über dem Fokusdurchmesser normalverteilte Strahlintensität auf. Dies führt im Allgemeinen dazu, dass die erreichte Abtragstiefe im Zentrum der Laserbahn höher ist als an den Rändern. Bei der Bearbeitung der gesamten Oberfläche entstehen hierdurch Riefen, die parallel zur Vorschubrichtung der Laserbahnen verlaufen.

Sind nun die Laserbahnen, wie in Abbildung 2 dargestellt, nahezu orthogonal zur erzeugten Schneidkante ausgerichtet, so führt dies zu einer hohen Rauheit entlang der Schneidkante. Um eine höhere Oberflächengüte entlang der Schneidkanten zu erreichen, sollte aus diesem Grund in jedem Fall mit Randschnitten (siehe Abbildung 1 unten) gearbeitet werden. Die höchste Oberflächengüte durch Laserbearbeitung wird durch eine nur aus Randschnitten parallel zur Schneidkante bestehend Schraffur erreicht. Die erzielte Kantenqualität ist mit der durch konventionelle Bearbeitungsprozesse erzielten Qualität vergleichbar.

Einfluss der Laserparameter auf die Schneidkantenqualität

Weiterhin wurden Untersuchungen zum Einfluss verschiedener Laserparameter auf die Schneidkantenqualität durchgeführt (Abb. 3). Die untersuchten Parameter sind zum einen die eingesetzte mittlere Laserleistung Pm sowie die Laservorschubgeschwindigkeit vf. Dabei führt eine Erhöhung der Laserleistung sowie eine Verringerung der Laservorschubgeschwindigkeit zu einer höheren eingebrachten Energie pro Oberfläche woraus ein größerer Abtrag pro Abtragsebene resultiert. Weiterhin wurden die Einflüsse für die beiden Abtragsstrategien „Zufallsschraffur“ sowie „Randschnitte“ betrachtet. Für die Bearbeitung mittels Zufallsschraffur zeigt sich eine Verschlechterung der mittleren Rauheit Ra sowie der Rautiefe Rz bei steigender Laserleistung Pm sowie bei Zunahme der Laservorschubgeschwindigkeit vf.

Bei der Anwendung von Schraffurstrategien führt die Erhöhung der Laserleistung zu einer tieferen Ausprägung der in Abbildung 2 dargestellten Furchen, was die erhöhte Rauheit erklärt. Der Einfluss der Laservorschubgeschwindigkeit lässt sich in Zusammenhang mit dem eingesetzten Laserspurversatz (s. Abb. 2 links) erklären. Dieser wurde in sämtlichen Untersuchungen gleich dem aus der Laservorschubgeschwindigkeit resultierenden Versatz zweier aufeinanderfolgender Laserpulse (bezeichnet als Puls-Distanz PD) gewählt:
$$PD={{v_f}\over{f}}=TD$$
Entsprechend ergibt sich bei gesteigerter Laservorschubgeschwindigkeit vf (bei konstanter Pulsfrequenz f) auch eine Erhöhung des Spurversatzes TD, woraus eine stärkere Ausprägung der Laserfurchen entlang der Schneidkante resultiert. Aufgrund der dargestellten Effekte resultiert insbesondere eine gegenüber dem gebürsteten Referenzwerkzeug signifikant erhöhte Rautiefe entlang des Schneidkantenprofils. Der Einsatz von Randschnittstrategien zeigt über dem gesamten Parameterbereich eine Verbesserung der Schneidkantenqualität gegenüber der Zufallsschraffur. Dabei ist insbesondere hervorzuheben, dass der Einfluss verschiedener Laserparameter auf die Schneidkantenqualität deutlich reduziert wird.

Dies kann damit erklärt werden, dass die Ausprägung einer charakteristischen Rauheit wie in Abbildung 2 erläutert weitestgehend orthogonal zur Laservorschubgeschwindigkeit stattfindet. Bei Randschnittbearbeitung ist allerdings die entstehende Oberflächenrauheit parallel zur Laservorschubrichtung entscheidend. Diese wird zwar auch durch die Laserparameter beeinflusst, allerdings in erheblich geringerem Umfang im Vergleich zur Oberflächengestalt orthogonal zur Laservorschubrichtung.
Die erarbeiteten Erkenntnisse wurden genutzt, um im Anschluss verschiedene pCBN Werkzeuge zu präparieren und deren Einsatzverhalten gegenüber von konventionell hergestellten Werkzeugen im Hartdrehen zu bewerten.

Vergleich des Einsatzverhaltens konventioneller und laserpräparierter pCBN-Werkzeuge beim Drehen von 100Cr6

Verschleißverhalten laserpräparierter pCBN-Werkzeuge im Hartdrehen

Die Untersuchung des Einsatzverhaltens laserpräparierter pCBN-Werkzeuge erfolgte im Hartdrehen des Stahls 100 Cr6 (60 HRC). Das Verschleißverhalten unter konventionellen Schnittgeschwindigkeiten (vc = 100m/min) und erhöhter Schnittgeschwindigkeit vc = 200m/min ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Laserleistung wurde hierbei auf zwei Stufen variiert. Die Laservorschubgeschwindigkeit wurde so gewählt, dass die in Bezug auf die belichtete Oberfläche eingebrachte Energie konstant blieb. Hierfür wurde der Wert der Flächenfluenz FA herangezogen:
$${F_A}={{P_m*f}\over{v^2_f}}={55}{{J}\over{cm^2}}={konst.}$$
Jeder Versuch wurde einmal wiederholt. Die in Abbildung 4 gezeigten Verschleißverläufe entsprechen den Mittelwerten der jeweils gemessenen Verschleißmarkenbreiten VBmax. Bei hoher Schnittgeschwindigkeit wurden weiterhin zwei unterschiedliche Schneidkantenmikrogeometrien eingesetzt.
Bei der geringeren Schnittgeschwindigkeit vc = 100/min tritt bei dem mit Pm = 5,5W laserbearbeiteten pCBN-Werkzeug eine Erhöhung der Verschleißmarkenbreite gegenüber dem Referenzwerkzeug auf. Hintergrund ist eine Reduktion der Schneidstoffhärte durch Ansammlung rekristallisierten Binders in der Schneidstoffrandzone (vgl. [1]). Bei höherer Leistung Pm = 8W wird ein gegenüber dem gebürsteten Referenzwerkzeug vergleichbarer Verschleißverlauf erzielt.

Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit auf vc = 200m/min führt bei der kleineren Schneidkantenverrundung ($${S\alpha}$$/$${S\gamma}$$ = 15/25µm) zu einer starken Angleichung der Verschleißverläufe zwischen den unterschiedlichen Präparationsmethoden. Grund hierfür ist ein überwiegen chemischer Verschleißmechanismen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten [2]. Hierdurch fallen Unterschiede in der mechanischen Beschaffenheit der Schneidkanten weniger stark ins Gewicht.

Die Vergrößerung der Schneidkantenverrundung auf $${S\alpha}$$/$${S\gamma}$$ = 30/45µm führt zu einer Erhöhung des Freiflächenverschleißes bei allen untersuchten Präparationsmethoden. Der Verschleißanstieg resultiert dabei aus der Erhöhung der thermomechanischen Belastung entlang der Freifläche [3]. Interessanterweise wird bei erhöhter Schneidkantenverrundung der geringste Verschleiß nicht durch das gebürstete Referenzwerkzeug, sondern durch das laserpräparierte Werkzeug mit Pm = 8W erreicht.

Ein möglicher Erklärungsansatz ist das Auftreten von Phasenumwandlungen durch den Laserprozess, die das chemisch Verschleißverhalten insbesondere bei erhöhter thermomechanischer Belastung positiv beeinflussen (vgl. [4]). Ein Nachweis derartiger Umwandlungen konnte im Rahmen der durchgeführten Analysen allerdings bisher nicht erbracht werden.
Basierend auf den Verschleißuntersuchungen wurde somit gezeigt, dass laserbearbeitete pCBN-Werkzeuge bei geeigneter Parameterauswahl eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zu den über konventionelle Prozesse hergestellten Werkzeugen aufweisen. Allerdings ist eine genaue Kenntnis der Einflüsse der Laserbearbeitung auf die Schneidstoffeigenschaften zur Auslegung des Laserprozesses erforderlich.

Vergleich der Verschleißmechanismen zwischen gebürsteten und laserpräparierten Werkzeugen nach einem Schnittweg von lc = 1,8km

Zur detaillierteren Gegenüberstellung der Verschleißphänomene zeigt Abbildung 5 Verschleißaufnahmen der eingesetzten Werkzeuge nach einem Schnittweg von lc = 1,8km. Das Verschleißverhalten zeigt sowohl Freiflächenverschleiß als auch einen charakteristischen Kolkverschleiß, der sich über nahezu die gesamte Fasenbreite erstreckt. Weiterhin treten für das Referenzwerkzeug und das mit Pm = 8W präparierte Werkzeug vereinzelt und das mit Pm = 5,5W präparierte Werkzeug in größerem Umfang Schneidkantenausbrüche auf. Eine Erhöhung der maximalen Verschleißmarkenbreite VBmax ist insbesondere oberhalb der Schneidkantenausbrüche zu erkennen, vermutlich induziert durch das Abgleiten des ausgebrochenen Schneidstoffteilchens entlang der Freifläche.

Als ursächlich für den erhöhten Verschleiß des mit Pm = 5,5W präparierten Werkzeugs lässt sich demnach die geringere mechanische Festigkeit des Werkzeugs im Schneidkantenbereich und die dadurch erhöhte Ausbruchsneigung festhalten. Unter günstigen Laserparametern werden vergleichbare Verschleißverläufe zum Referenzwerkzeug erreicht. Während der Untersuchungen wurde ebenfalls die erzielte Oberflächengüte der Bauteile kontinuierlich mittels eines mobilen Rauheitsmessgeräts erfasst. Die Oberflächengüte lag für sämtliche durchgeführten Untersuchungen in einem im Vergleich zur Streuung engen Bereich von Ra = 0,5-0,65µm. Signifikante Effekte aufgrund der unterschiedlichen Präparationsmethoden wurden nicht festgestellt. Es kann somit davon ausgegangen werden, dass die in Abbildung 1 dargestellte Prozessstrategie und die daraus resultierenden vergleichbaren Kantenschartigkeiten gegenüber gebürsteten Referenzwerkzeugen zu einer entsprechend gleichen Oberflächengüte der bearbeiteten Bauteile führen.

Zusammenfassung und Ausblick

Zunächst erfolgte die Untersuchung verschiedener Laserbearbeitungsstrategien, um eine möglichst hohe Kantenqualität der laserbearbeiteten Werkzeuge zu erzielen. Durch die Auswahl einer reinen Randschnittbearbeitung kann sichergestellt werden, dass die Laservorschubbahnen stets parallel zur erzeugten Schneidkanten verlaufen. Hierdurch wird über einem breiten Parameterbereich eine gegenüber konventionellen mechanischen Fertigungsverfahren vergleichbare Schneidkantenqualität ermöglicht. Ferner erfolgte eine Untersuchung des Einsatzverhaltens der mittels Laser präparierten Schneidkanten im Hartdrehen von 100Cr6.

Hierbei wurde nachgewiesen, dass bei der Auswahl energetisch geeigneter Laserparameter eine gegenüber konventionell präparierten Werkzeugen vergleichbare Standzeit erzielt wird. Ebenso bestehen keine Unterschiede in der erzielten Oberflächengüte. Entsprechend konnte der Laserpräparationsprozess erfolgreich für die Präparation von pCBN-Werkzeugen qualifiziert werden. Zur weiteren Verbesserung des Einsatzverhaltens werden aktuell die Einflüsse der Laserpräparation auf die Schneidstoffeigenschaften wie Härte und Eigenspannung genauer analysiert, um ein umfassendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Laserpräparation und Werkzeugeinsatzverhalten zu ermöglichen.

Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung des Forschungsvorhaben KO 4293/6-1 „Schneidkantenmikropräparation hochharter Schneidstoffe“.
Weiterer Dank gilt der DMG Mori Deutschland GmbH in Pfronten für die Unterstützung der Untersuchungen.

Literatur

[1]    Denkena, B; Grove, T; Krödel, A.: Schneidkantenmikropräparation an pCBN-Werkzeugen mittels Kurzpulslaser, in: Diamond Business, 3/2017
[2]    Klocke, F.: Fertigungsverfahren 1, Springer Verlag, 2008
[3]    Bergmann, B.: Grundlagen zur Auslegung von Schneidkantenverrundungen, Dr.-Ing. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2017
[4]    Breidenstein, B.; Denkena, B.; Bergmann, B.; Krödel, A.: Laser material removal on cutting tools from different materials and its effect on wear behaviour. In: Metal Powder Report, 2016

 

 

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