Modellierung des Werkzeugverschleißes beim Hartdrehen mit polykristallinem cBN (cubic Boron Nitride)
Peter Frank
Der Werkzeugverschleiß ist neben den Zerspankräften, der Spanform und der Oberflächengüte eines der wichtigsten Kriterien zur Beurteilung der Zerspanbarkeit. Insbesondere in der Hartbearbeitung kommt dem Werkzeugverschleiß eine zentrale Bedeutung zu, da dieser zum einen die Bauteilrandzone und zum anderen die resultierende Oberflächenqualität maßgeblich beeinflusst. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Simulationswerkzeug zur qualitativen und quantitativen Verschleißvorhersage von cBN-Schneidwerkzeugen bei der Hartbearbeitung zu entwickeln. Durch eine systematische experimentelle Analyse sind zunächst die relevanten Einflussgrößen auf den Werkzeugverschleiß von cBN-Schneidplatten beim Hartdrehen des Einsatzstahls 16MnCr5 identifiziert worden. Im Rahmen der Modellbildung zur Simulation von Werkzeugverschleiß erfolgte die Modellierung des tribologischen Beanspruchungskollektivs beim Orthogonaldrehen (2D) und Außenlängsdrehen (3D) mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente. Im Anschluss an die Simulation des tribologischen Beanspruchungskollektivs wurde ein geeignetes Verschleißraten-Modell ausgewählt, an die Anforderungen der Hartbearbeitung angepasst und schließlich in die User-Subroutine der verwendeten Software implementiert. Mit Hilfe des neu entwickelten Ansatzes zur Simulation des Freiflächenverschleißes konnte ein gleichmäßiger und ebener Materialabtrag an Haupt- und Nebenfreifläche im dreidimensionalen Werkzeugmodell berechnet werden. Für den industriell relevanten Schnittgeschwindigkeitsbereich konnte dabei eine sehr gute Übereinstimmung hinsichtlich der prognostizierten und der experimentell ermittelten Werkzeugstandzeit erreicht werden. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten fiel die Abweichung zwischen Simulation und Experiment zunehmend größer aus. Die Erweiterung des bestehenden Verschleißraten-Modells um diffusionsbedingtem Verschleiß führte in der Simulation zu einer deutlichen Genauigkeitssteigerung. Das Potenzial der Verschleißsimulation zur Prognose des Kolkverschleißes wurde mit einer ersten Testrechnung zum Spanflächenverschleiß belegt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war eine Methodik zu entwickeln, die die Vorhersage von hartgedrehten Oberflächen unter besonderer Berücksichtigung des Verschleißzustandes der simulierten Werkzeuge ermöglicht. Auf Basis der verschlissenen Werkzeuggeometrie, für die zuvor eine Verschleißsimulation durchgeführt wurde, generierte die entwickelte Oberflächenroutine das resultierende Oberflächenprofil und berechnete automatisch die Oberflächenkennwerte Ra und Rz. Wie die experimentelle Evaluierung zeigte, war es möglich, den Zusammenhang zwischen der verschlissenen Schneidkante und Oberflächenprofil im Modell richtig abzubilden.
