Ziel der Entwicklung

Logo: Reibahle mit Versuchswerkstücken, © Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e. V.
Reibahle mit Versuchswerkstücken, © Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e. V.

Im Zuge einer stetigen Weiterentwicklung von Sinterwerkstoffen, zum Beispiel in der Verwendung höherer Eisen-Anteile im Grundgefüge zur Optimierung der Warmhärte, Verschleißfestigkeit, Notlaufeigenschaften und Reduzierung von Reibung sowie Erschließung von Leichtbaupotentialen steigen auch im gleichen Maße die Anforderungen an den Zerspanprozess und somit an die Zerspanwerkzeuge. Unter dem Aspekt der Feinstbearbeitung war es in diesem Projekt das Ziel, ein PKD-Reibwerkzeug mit einer zusätzlichen Verschleißschutzbeschichtung zu entwickeln, mit welchem eine effiziente Bearbeitung der neu entwickelten Sinterwerkstoffe mit erhöhtem Eisen-Anteil (Fe) realisiert werden konnte.

Vorteile und Lösungen

Zur Realisierung der Projektzielstellung zur Feinstbearbeitung neuer Fe-basierter Sinterwerkstoffe wurde der Ansatz verfolgt, hierfür den Schneidstoff Diamant zu verwenden, da eine Bearbeitung mit Hartmetall nicht wirtschaftlich möglich ist. Die Verwendung von PKD-Schneiden zur Bearbeitung von Fe-haltigen Werkstoffen ist technisch aber zurzeit so nicht möglich, da die chemische Reaktion des Kohlenstoffs (Diffusionsvorgänge) mit dem Eisenanteil im Sinterwerkstoff nicht verhindert werden kann und die Schneide zerstört wird. Um mit PKD-Schneiden Fe-haltige Materialien bearbeiten zu können, müssen Maßnahmen zur Vermeidung der Diffusionsvorgänge realisiert werden. Hier setzt die Entwicklung im Projekt an, mit der Zielstellung, ein neues beschichtetes PKD Reibwerkzeug in Verbindung mit der erforderlichen Zerspanungstechnologie zu entwickeln und erste Versuchsmuster beziehungsweise Prototypen umzusetzen, mit der eine effiziente Bearbeitung der neu entwickelten Sinterwerkstoffe mit erhöhtem Fe-Anteil realisiert werden kann. Die Umsetzung der Werkzeuge mit PKD-Schneiden war auf Grund des geringen Bohrungsdurchmesser mit gelöteten PKD-Schneideinsätzen nicht möglich. Um dennoch eine Vielzahl von Schneiden in PKD ausführen zu können wurden die Werkzeuge mit Halbzeugen in PKD-Vollkopfausführung umgesetzt. So konnten bei einem Bohrungsdurchmesser von <= 6 mm bis zu 8 Schneiden realisiert werden. Durch die im Projekt umgesetzte Schichtentwicklung für die PKD-Schneiden und einem für die Werkzeugtests speziell entwickelten Versuchsaufbaus und -ablaufs, konnten Werkzeugprototypen entwickelt werden, mit denen eine wirtschaftliche Bearbeitung realisierbar ist. Für die Optimierung der Schneidengeometrie wurde ein Modell zur Simulation von Reibvorgängen umgesetzt, mit dessen Hilfe eine vorgelagerte Optimierung von Reibschneiden realisiert werden kann. Bei der Bearbeitung des Projektes zeigte sich das der Kühlschmierstoffaustritt an den Schneiden einen entscheidenden Einfluss auf die Standzeit hat. Im Rahmen der Arbeiten sind zur Verbesserung der Standzeit der Werkzeuge die Kühlschmierstoffbohrungen in Geometrie und Position für einen optimale Bearbeitung optimiert worden.

Zielgruppe und Zielmarkt

Einer der größten Anwendungsfälle von Sinterwerkstoffen ist bisher in der Automobilindustrie gegeben. Die Verwendung von neuen Materialien und Materialverbunden zielt in erste Linie auf die Gewichtsreduzierung und dem reduzierten Verschleißverhalten in Verbrennungsmotoren (Downsizing) ab. Darüber hinaus ergeben sich weitere Anwendungsfelder im Bereich der nachgelagerten Präzisionsbearbeitung von additiv gefertigten Bauteilen im Maschinenbau, der Flugzeugindustrie und der Medizintechnik. Zielmärke sind hierbei vorrangig der Automobilmarkt und die Werkzeughersteller. Die Ergebnisse werden Werkzeugherstellern und Unternehmen in der Metallbearbeitung angeboten. Durch den umgesetzten Versuchsaufbau und den erprobten und optimierten Versuchsablauf mit entsprechender Messtechnik kann auf individuelle Ansprüche und neuen Bearbeitungsaufgaben eingegangen werden und für diese Fälle eine entsprechend angepasste Lösung ermittelt werden. Die Ergebnisse werden den Unternehmen über den Geschäftsbericht der GFE, der Vorstellung der Ergebnisse zur Werkzeug-Tagung 2021 und der Veröffentlichung und Präsentation in Netzwerken und Clustern, zum Beispiel FerMeTh - Cluster für Fertigungstechnik Metallbearbeitung Thüringen, ThZM - Thüringer Zentrum Maschinenbau, ProHyMaTh – Prozesstechnologien für Hybride Materialien im Thüringer Wald) vorgestellt. Durch die erzielten Ergebnisse im Projekt wurde die Kompetenz der GFE auf dem Gebiet der Präzisionswerkzeuge ausgebaut und weiter gestärkt und den Unternehmen können somit erweiterte Entwicklungs- und Dienstleistungsangebote unterbreitet werden. Speziell werden auf den Gebieten der Anpassungsentwicklung von Bearbeitungsaufgaben, der Beschichtungsleistungen, der Laserbearbeitung von Diamantschneiden und der Dienstleistung und Entwicklung für verschiedenste Kundenapplikationen unter Einbeziehung des umgesetzten Versuchsaufbaus und -ablaufs generiert und erwartet.