Produktionsoptimierung der mechanischen Vor- & Nachbehandlung von Zerspanungswerkzeugen

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der mechanischen Vor- & Nachbehandlung von PVD-beschichteten Schaftwerkzeugen, welche durch diese Hartstoffschichten eine Erhöhung ihrer Lebensdauer erfahren.<br />Schaftwerkzeuge sind u.a. Bohrer, Fräser, Gewindeschneider & -former, diese bestehen hpts. aus HSS oder HM-Werkstoffen und dienen zur spanenden Bearbeitung von Stahl. Diese Werkzeuge finden ihre Anwendung in der Automobilindustrie zur Fertigung von Motorblöcken oder Ähnlichem.<br />Allerdings stellt der Beschichtungsvorgang hohe Ansprüche an die eingesetzten Substrate, diese müssen v.a. in ihrer Oberflächenbeschaffenheit definierte Werte aufweisen. Hier kommt die Vorbehandlung ins Spiel. Die Nachbehandlung dient zur Verbesserung des optischen Erscheinungsbildes und der Oberflächen nach dem Beschichtungsprozess.<br />Der Forschungsbereich für die Vor- & Nachbehandlung von Werkzeugen ist bedeutender denn je. Aufgrund der Tatsache, dass die Industrie immer neue Wege sucht, die Einsatzzeiten der Werkzeuge zu steigern und somit Kosten zu reduzieren. Deswegen ist die Homogenisierung, als auch die Aktivierung der Oberfläche von Substraten vor ihrer Beschichtung essentiell. Grund dafür ist die bedeutend bessere Schichthaftung bei gleichmäßigerer Oberfläche, außerdem liegt ein großes Augenmerk auf der definierten Kantenverrundung von Schneidengeometrien, um auch in diesem Bereich verbesserte Schichthaftung und leistungssteigernde Qualität zu erzielen.<br />Im speziellen vorliegenden Fall, durch die Nass-Strahltechnik. Diese gewährleistet eine weitaus gleichmäßigere Oberflächenbehandlung als so manches Konkurrenzverfahen, aufgrund der Tatsache, dass das Strahlmedium in einem Wasserfilm eingebettet ist, welcher als eine Art Aufprallschutz für das Substrat dient. Außerdem sorgt dieser Zustand auch für eine bessere Verteilung des abrasiven Mediums und es können auch abgeschattete Bereiche behandelt werden. Nachteil des Prozesses sind Wechselwirkungen, welche Metalle insbesondere Stahl unter Einfluss von Wasser miteinander eingehen, somit wird auch das Thema der Korrosion in nachfolgender Arbeit behandelt. Ein sehr wichtiger Bereich dieser Arbeit ist die Verbesserung des Strahl-Prozesses an sich, da die momentan angewandte Technik zu zeitintensiv ist. Schaftwerkzeuge werden in Hülsenhalterungen gestrahlt, was einen zusätzlichen Chargierungsaufwand darstellt, welcher in der Produktion für zusätzliche Kosten und Zeit verantwortlich ist. Im Rahmen dieser Arbeit soll die konventionelle Art des vertikalen Nass-Strahlvorgangs, in einen Horizontalen übergeführt werden. Sofern dieses Konzept erfolgreich ist, könnte es in die Reinigungslinie integriert werden.<br />Neben der Anlagenoptimierung, wurden auch verschiedene Untersuchungen bzgl. des Korrosionsverhaltens der Werkstoffe, sowie deren Substrateigenspannungen nach dem Nass-Strahlprozess, sowie die Ermittlung von Extrema der Schneidkantenpräparation durchgeführt. Diese waren die relevantesten Themen des Prozesses als Vorbehandlungsschritt.<br />Weiters wurde im Sinne der Nachbehandlung untersucht, ob alle notwendigen Kennzahlen für die Oberflächenrauheit, Schichtabtrag und Haftfestigkeit erfüllt werden können.

The following work deals with the mechanical pre- & post treatment of PVD coated shank type tools. These tools increase in liftetime by applying these hard material coatings. Regarding shank type tools these are i.a. drills, end mills, threaders and thread moulders and mainly consist of HSS or cemented carbides. Generally their application area is the metal cutting manufacturing, like automotive industry for producing engine blocks or analogical issues. However the coating process itself does have reasonable requirements on the employed substrate materials, which have to show defined data for the surface condition. This leads to the purpose of the pretreatment process, while the post treatment is needed for improvements of the surface condition and the optical impression of the tools surface after the coating.<br />The field of research for the pre- & post treatment shows a significant upturn. Based on the fact that the industry want to find new ways for decreasing the costs of tools by increasing their durability. Therefore homogenizing and activation of substrate surfaces before coating is essential. These reasons lead to a more proper adhesion of coatings due to uniform surface condition. Another factor is the defined preparation of the cutting edges to gain a better adhesion as well, especially by using the wet blasting process.<br />This process provides smoother surface treatment than other treatment methods, because of the fact that the blasting media is surrounded by water. This effects the kinetic energy of the single blasting grain and acts like a dampening for the substrate. Furthermore an improved grain distribution over the surface is achievable and shadowed areas due to cutting edge geometry are treatable. Unlikely there is the fact that steel and water do have some interaction between each other, which could lead to corrosion. That issue will be discussed in this report as well.<br />The major part of this report is the improvement of the wet blasting process it self. State of the art wet blasting machines do mount shank type tools in a vertical cartridge holder system, therefore additional loading time and cost intensive mounting efforts occur. Moreover the idea came up to switch into horizontal blasting position to increase the throughput of the wet blasting process. If this concept is successful it might be possible to incorporate it into the cleaning process step.<br />Beside the optimization of the wet blasting machine several tests for investigating the process as a pretreatment were done dealing with issues like corrosive behavior of the substrate materials, residual stress analysis of the substrates as well as cutting edge preparation. At last miscellaneous tests were done concering post treatment issues to make sure all necessary keydata like surface roughness, coating thickness and adhesion after the wet blasting process are achievable.<br />