Unidirektionale schwingungsunterstützte Ultrapräzisionszerspanung eisenhaltiger Werkstoffe mit definierter Schneidteilgeometrie

Im Vergleich zum Schleifen und Polieren weist die ultrapräzise Zerspanung mit monokristallinen Diamantwerkzeugen eine hohe kinematische Flexibilität auf. Demgegenüber steht eine starke Limitierung des bearbeitbaren Werkstoffspektrums. Sowohl die direkte Bearbeitung optischer Gläser als auch die Zerspanung von eisenhaltigen Legierungen, wie sie beispielsweise für Replikationswerkzeuge in der Glasumformung und dem optischen Kunststoffspritzguss benötigt werden, ist aufgrund des hohen Werkzeugverschleißes des monokristallinen Diamanten nicht möglich. In der Vergangenheit wurden bereits verschiedene Ansätze zur Auflösung des Dilemmas untersucht. Die Integration uni- oder bidirektional wirkender schwingungsunterstützter Werkzeugsysteme zeigten erstmals das Potenzial, den monokristallinen Diamanten für die ultrapräzise Zerspanung von Gläsern und eisenhaltigen Werkstoffen zu qualifizieren. Für die Überführung dieser Technologie in ein industrielles Umfeld lagen bisher noch keine detaillierten Kenntnisse der Wirkmechanismen in der Zerspanzone sowie der Leistungsfähigkeit des Verfahrens zur Bearbeitung hochlegierter Stähle vor. Übergreifende Aufgabe dieser Arbeit war es daher, eine umfassende theoretische und praktische Analyse der vorliegenden Wirkzusammenhänge und Verfahrensgrenzen bei der schwingungsunterstützten Bearbeitung von wärmebehandelten Stahlwerkstoffen mit monokristallinen Diamantwerkzeugen durchzuführen. Dabei wurden sowohl werkstoff-, system- und prozessspezifische Einflussgrößen und deren Wechselwirkung in die Untersuchungen einbezogen. Eine Modellbildung lieferte den theoretischen Unterbau, der über entsprechende Versuchsreihen verifiziert werden konnte. Erstmals wurde auch der Einfluss unterschiedlicher Systemfrequenzen auf das Bearbeitungsergebnis bei der ultrapräzisen Drehbearbeitung untersucht. Analysiert wurden neben der Ausbildung der Oberflächenqualität auch die Spanbildung, der Werkzeugverschleiß und die Randzonen-beeinflussung. Letztlich konnten die Ergebnisse in anwendungsorientierte Richtlinien zur System- und Prozessgestaltung überführt werden.