Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Leistungssteigerung bei der Zerspanung durch gezielte Nutzung der Fugendämpfung geklebter Werkzeuge

Bei Hochleistungswerkzeugen für die spanende Bearbeitung hat das Dämpfungsverhalten besondere Bedeutung, da die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs maßgeblich durch eigen- oder fremderregte Schwingungen im Prozess begrenzt wird. Wird das heute eingesetzte Löten für das Fügen hochharter Schneidstoffe wie PKD oder PCBN durch den Einsatz hochleistungsfähiger Klebstoffe substituiert, kann eine deutlich erhöhte Schwingungsdämpfung nahe der Quelle der Anregung erreicht werden. Diese „Fugendämpfung“ hat insbesondere für komplexe Fräswerkzeuge großes Potenzial, da die Schwingungsanregung im unterbrochenen Schnitt besonders stark ist. Derzeit fehlt noch das grundlegende Wissen, wie Klebfugen zu gestalten bzw. Materialien auszuwählen sind, um den Effekt der Fugendämpfung gezielt nutzen und verstärken zu können. Ebenso ist das Prozesswissen zur Integration dieses Fügeverfahrens in die bisher auf Löten optimierte Prozesskette unzureichend.

Das Ziel dieses Forschungsantrags ist es, im Labormaßstab Erkenntnisse zur gezielten Nutzung der Fugendämpfung und deren prozesstechnischer Umsetzung zu erarbeiten.

Zum Erreichen einer optimierten Fugendämpfung werden im Projekt zunächst in einem Analogieprozess (Drehen mit unterbrochenem Schnitt) die Anforderungen aufgenommen und auf dieser Basis Werkzeuge ausgelegt und in Einsatzversuchen bei Variation der Klebung die wesentlichen Einflussfaktoren für die Dämpfung identifiziert. In der zweiten Phase des Projekts steht die Integration der Klebtechnik in die bestehende Prozesskette und die Übertragung der erhaltenen Ergebnisse auf drei reale Werkzeuge mit anschließender Verifizierung in Einsatzversuchen. Die Ergebnisse werden am Ende des Projekts in einem Leitfaden für die Industrie mit Anleitung zur klebtechnischen Herstellung von Werkzeugen zusammengefasst. Neben Fachveröffentlichungen werden die Inhalte bei beiden Forschungsstellen in die universitäre Lehre sowie am IFAM in die berufliche Ausbildung (Klebfachausbildungen) übernommen.

Ergebniszusammenfassung:

Im vorliegenden Forschungsprojekt wurden wichtige Herausforderungen gelöst, um das Potential der Fugendämpfung geklebter Werkzeuge nutzen zu können. Zunächst wurden dafür geeignete Zielprozesse definiert, die den Einsatz geklebter Werkzeuge aufgrund des thermomechanischen Belastungsprofils ermöglichen. Hierzu wurden Kenntnisse über die thermomechanische Belastung im Bereich der Fügestelle zwischen Schneideinsatz und Werkzeuggrundkörper erarbeitet. Diese Kenntnisse wurden genutzt, um ein Berechnungsmodell aufzubauen, welches eine Auslegung der Klebefuge in Abhängigkeit der Belastung ermöglicht.

Ein wichtiger Aspekt für die Einführung der Klebtechnik im Bereich der Werkzeugfertigung ist darüber hinaus die Analyse der bestehenden Prozesskette gelöteter Werkzeuge. Die durchgeführte Prozesskettenanalyse zeigt, dass die Klebtechnik mehrheitlich mit einfachen Mitteln in bestehende Prozesse integriert werden kann. Die Einführung einer automatisierten klebtechnischen Fertigung war nicht Teil dieses Projektes, die gewonnenen Kenntnisse bilden jedoch die Grundlage für die Ableitung einer seriennahen Fertigung. Für einzelne Werkzeuge, wie beispielsweise das Sägeblatt, konnte hier bereits großes Potential aufgezeigt werden.

Zerspanversuche mit geklebten Werkzeugen, die innerhalb dieses Projektes durchgeführt wurden, ermöglichten einen Vergleich mit herkömmlich hergestellten Werkzeugen. Die betrachteten Werkzeuge zeigen eine vergleichbare Leistungsfähigkeit zu herkömmlichen Werkzeugen. Obwohl rechnerisch eine erhöhte Dämpfung durch die Klebefuge aufgezeigt werden konnte, bedarf es zur experimentellen Umsetzung weiterer Forschung. Dies ist insbesondere darin begründet, dass eine klebgerechte Gestaltung der Fügepartner notwendig ist, um das volle Potential der Fugendämpfung auszuschöpfen. Am Beispiel eines Sägeblattes konnte sowohl rechnerisch als auch experimentell eine Steigerung der Leistungsfähigkeit durch den Einsatz der Fugendämpfung nachgewiesen werden.