Standwegversuche mit Hartmetall-Zerspanungswerkzeugen an CFK

Abstract

Das Kernthema dieser Untersuchung stellt die Erprobung unterschiedlicher Zerspanungswerkzeuge in Hinblick auf deren Eignung bezüglich Verschleißresistenz dar. Zur Erprobung besagter Werkzeuge werden Standweg-Zerspanungsversuche an CFK durchgeführt. Faserverstärkte Kunststoffe verursachen bei der Bearbeitung ausgeprägten abrasiven Verschleiß. Diesem Effekt soll etwa durch harte Beschichtungen entgegengewirkt werden. Getestet werden daher neben unbeschichteten Zerspanungswerkzeugen, DLC- und diamantbeschichtete Bohr- und Fräswerkzeuge. Zur Auswertung der Ergebnisse aus den Zerspanungsversuchen wird ein stabiles Verfahren zur Verschleißbewertung benötigt. Der Schneidkantenradius zeigt sich als Verschleißindikator unzuverlässig, daher wird eine stabilere Methode aus der Definition des K-Faktors abgeleitet. Diese Methode bewährt sich bei Versuchsdurchführung und Auswertung in dieser Arbeit. Unbeschichtete Bohrwerkzeuge zeigen wenig Widerstandskraft gegenüber dem abrasiven Verschleiß, was zu einem schnellen Hartmetallabtrag führt. Die Schneidkanten dieser blanken Zerspanungswerkzeuge werden in einem Ausmaß abgetragen, dass an Stelle der keilförmigen Schneidkante eine Abflachung tritt, sofern das Werkzeug im Originalzustand über eine annähernd gerade Schneide verfügt. Auch bei Bohrwerkzeugen mit candle-stick-Geometrie kommt es zu erheblichem Hartmetallabtrag. Dieser manifestiert sich in Form einer starken Schneidkantenverrundung, überlagert von ausgeprägtem Freiflächenverschleiß. Diese Überlagerung führt zu einer Schärfung der Schneidkante, wodurch die Schneidkantenverrundung gebremst wird. Trotzdem ändern sich die Eingriffsverhältnisse an der Schneide zum Schlechteren, was die Bearbeitungsqualität deutlich negativ beeinflusst. Ähnlich verhalten sich unbeschichtete Fräswerkzeuge wo es jedoch zu lokalen Ausbrüchen an der Kante kommen kann, die durch den fortschreitenden Abtrag eingeebnet werden. Hier kommt es auch zu verstärktem Verschleiß, wo die Schneidkante mit dem Rand der CFK-Platte im Eingriff steht, da hier eine höhere Materialdichte vorherrscht. DLC-beschichtete Bohr- und Fräswerkzeuge zeigen in dieser Untersuchung keine merkliche Verbesserung gegenüber unbeschichteten Werkzeugen. Die Haftung dieser Beschichtung am Substrat ist schwach ausgeprägt, es kommt meist unmittelbar nach dem erstmaligen Eingriff des Werkzeuges zu großflächiger Beschichtungsablösung. Die, mit den unbeschichteten Werkzeugen geometrisch gleichen, Zerspanungswerkzeuge verlieren die Beschichtung an der Schneide über den gesamten Eingriffsbereich und verhalten sich in weiterer Folge wie ihre unbeschichteten Pendants. Eine Verbesserung des Verschleißverhaltens ist hier nicht gegeben. Diamantbeschichtete Bohr- und Fräswerkzeuge zeigen in dieser Untersuchung im Vergleich die vielversprechensten Ergebnisse bezüglich Verringerung des Verschleißes. So lange die Haftung der Beschichtung am Substrat gegeben ist, kommt es zu deutlich verlangsamtem Verschleiß gegenüber unbeschichteten Werkzeugen. Bei intakter Beschichtung wird nur allmählich Material der Beschichtung abgetragen. Sobald Beschichtungsablösung auftritt, sei es auch nur lokal, schreitet die Abnützung meist schnell voran. Ausgehend von der ersten Schadstelle, die sich meist an einer besonders belasteten Stelle wie der Schneidenecke befindet, kommt es zur Ausbreitung der Ablösung und in weiterer Folge zu ähnlich rasantem Verschleißfortschritt wie bei unbeschichteten Werkzeugen. In einem Versuch kann gezeigt werden, dass Beschichtungsrückstände den Verschleiß verzögern können. Die Beschichtung an der Spanfläche bleibt bestehen, während die Freifläche früh im Versuch blank liegt. Als Schlüsselthema in puncto Schichthaftung kann in dieser Arbeit die Übergangsschicht zwischen Beschichtung und Hartmetallsubstrat identifiziert werden. Diese wird besonders von Schneidkantenpräparationsverfahren und Hartmetallzusammensetzung beeinflusst. Ein Vergleich der Versuchsergebnisse aller getesteten Zerspanungswerkzeuge aus dieser Untersuchung, mit den Versuchsergebnissen aller Standwegversuche aus der Datenbank des IFT, zeigt ein unterdurchschnittliches Abschneiden der aktuell getesteten Werkzeuge bezüglich Bearbeitungsqualität. Als Grenzwert für die Bearbeitungsqualität wird der, im Zuge der eindimensionalen Maximalwertmethode (1D-MM) definierte, Qualitätsindex verwendet. Beim Bohren wird dieser mit q_i=0,06 festgelegt. Dieser Wert orientiert sich an Standards der Luftfahrtindustrie. Unter diesen Vorgaben können nur 2 von insgesamt 15 Bohrwerkzeugen einen Standweg von deutlich über 2 m erreichen. Alle anderen Versuche müssen nach diesem Kriterium unter 2 m Bearbeitungsweg abgebrochen werden. Bei 6 von 9 der aktuell getesteten Bohrwerkzeuge kommt es unmittelbar bei Versuchsbeginn zum Erreichen des Grenzwertes. Der Grenzwert für Fräswerkzeuge wird mit q_i=0,02 festgelegt. Auch hier können nur 2 von insgesamt 17 Fräsern mit einem Bearbeitungsweg von über 40 m und knapp unter 10 m als gut bewertet werden. Alle anderen 15 getesteten Werkzeuge liegen meist deutlich unter 5 m und nur in 2 der 15 Fräsversuche der aktuellen Versuchsreihe wird der Grenzwert nicht schon zu Versuchsbeginn erreicht. In den meisten Fällen schließt dies einen Einfluss des Verschleißes auf die Bearbeitungsqualität aus und weist auf ein nachteiliges Werkzeugdesign hin. Die kritische Vorschubkraft für Wendelbohrer nach Hocheng-Dharan wird berechnet und mit den aufgezeichneten Vorschubkräften verglichen. Die Behauptung, dass es nicht zu Delamination kommt, wenn die Vorschubkraft unter der kritischen Vorschubkeaft bleibt kann nicht bestätigt werden. In zwei Versuchen zeigt sich jedoch ein Anstieg des Ausmaßes der Delamination, sobald die kritische Vorschubkraft überschritten wird.

The key issue in this thesis is the testing of different cutting tools concerning the resistance to wear. Thus cutting tools are used for the machining of CFRP until a certain condition is reached. Abrasive wear is the main wear mechanism when machining fibre reinforced plastics. It is desired to decelerate the progression of wear therefore cutting tools designed for the cutting of composites often will be coated using hard coatings like diamond or DLC. DLC and diamond coated drilling and milling tools but also uncoated tools are used for the tests. For the quantification of the tool wear a solid method of indication is needed. The radius of the cutting edge proved to be rather unstable for this purpose, therefore a more stable indicator is being derived from the definition of the K-factor. This method of wear indication stands the test while conducting the tests and afterwards during the evaluation. Uncoated drilling tools show little resistance to abrasive wear which leads to a rapid removal of the hard metal cutting material. The cutting edges are being replaced by a flat surface when the original tool shows a straight cutting edge. Drilling tools with candle-stick-geometry also show a distinctive abrasion when cutting CFRP. The rounding of the cutting edge is severe but interferes with the abrasion on the flank face and therefore the rounding will not progress rapidly. Though the cutting process deviates clearly from the original state when cutting with the unworn tool. This leads to declined machining quality. The progression of wear concerning uncoated milling tools is quite similar. Local fractures of the cutting material may occur additionally and will be evened out whilst further progression of wear. It can be witnessed that the damage of the cutting edge is more severe where the tool cuts the edge of the CFRP panel. The reason for the increased damage is the higher density of the material in this area. DLC coated drilling and milling tools do not show to be suitable for decreasing tool wear in comparison to uncoated tools. The bond between coating and substrate is very weak and therefore the coating separates from the hard metal immediately when starting the machining process leading to uncoated surfaces along the cutting edge. These tools are tested alongside geometrically ident uncoated tools and show no improvement concerning wear resistance. Diamond coated drilling and milling tools are in comparison the most promising variant. As long as the coating is intact the tool wear is drastically decelerated in comparison to uncoated tools. The abrasion of the diamond itself advances slowly and only after at least local delamination of the diamond coating accelerated wear will occur. Local failures of the coating mostly occur at positions where the tool has to withstand bigger stress or is weakened due to its geometrical form like the corner at the outer end of the cutting edge. Also small defects in the bond between coating and substrate may be the cause. Starting from these failures the coating peels from the substrate which reveals the bare hard metal surface thus leading to accelerated wear due to abrasion of the substrate. It can be shown that if the coating on the rake face persists while the flank face is already uncoated the progress of wear can also be decelerated. The key element to improve the wear resistance of diamond coated tools is identified as the transition zone between coating and substrate. This transition zone is greatly influenced by the process of cutting edge preparation and the composition of the hard metal substrate. This thesis includes an overview of the test results from all the machining tests concerning wear resistance when cutting CFRP conducted at the IFT including the current test results. The performance of the 9 drilling and 7 milling tool types shows to be under average in means of the condition of the machined edges. As a limitation for the produced quality the quality index q_i is used which is defined in course of the one dimensional maximum method (1D-MM). For drilling the limit of the quality index is q_i=0,06. This value is derived from aviation industry standards. Under these circumstances only 2 of 15 drilling tools can reach a tool live significantly above 2 m. Following this criterion all other tests have to be ended before reaching this mark. 6 of 9 currently tested drilling tools reach the criterion quite instantly at the beginning of the machining tests. The limit of the quality index concerning milling tests is specified as q_i=0,02. Only 2 of 17 overall tested milling tool types can be used for machining without exceeding the limit of machining quality while reaching a tool life of 10 and 40 m. The other 15 tools mostly reach the criterion well before 5 m. In only 2 of 15 milling tests with the current set of milling tools the criterion for process quality is not reached within the first machining operation. This points out that only the tool design can be responsible for inadequate quality. The critical feed force defined by Hocheng-Dharan is being calculated for twist drill bits and compared with the recorded actual feed force. Hocheng-Dharan argue that as long as the critical feed force will not be exceeded no delamination of the machined composite material shall occur. This claim cannot be reconstructed in this work but the data gained from 2 different tests shows that delamination increases after exceeding the critical feed force.