Wirtschaftlicher mit Laser

Das IFW der Leibniz Universität Hannover: Laserbasierte Herstellung individueller Spanleitstufen erhöht Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit.

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Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover arbeitet in Kooperation mit Maschinen- und Werkzeugherstellern daran, Spanleitstufen an Profileinstechwerkzeugen wirtschaftlich und schädigungsarm durch Laserablation herzustellen. Profileinstechplatten werden vorsätzlich in Großserienprozessen, häufig auf Mehrspindel-Drehautomaten, eingesetzt und garantieren dort höchste Produktivität.

Allerdings treten durch die großen Spanungsquerschnitte insbesondere bei langspanenden Werkstoffen häufig Probleme in der Spanformung auf, die einen negativen Einfluss auf die Prozesssicherheit haben. Durch die entwickelte innovative Lösung können zukünftig langspanende Werkstoffe problemlos bearbeitet werden, ohne dass lange Bandspäne die automatisierten Prozesse blockieren.

Leistungssteigerung durch Spanleitstufen

Die Erhöhung der Prozesssicherheit, die Leistungssteigerung und die Verschleißreduzierung sind nur einige der bereits bekannten und genutzten Vorteile von Spanleitstufen. Bei ISO – Schneidplatten werden Spanleitstufen schon beim Sinterprozess, also bei der Urformung der Werkzeuge, erzeugt.

Dies ist bei Profileinstechplatten nicht möglich, da erst nach dem Sintern die gewünschte Profilform für das orthogonale Einstechen durch Schleifen erzeugt wird. Das anschließende Herstellen von Spanleitstufen an den Profileinstechplatten ist mit den herkömmlichen abrasiven Prozessen, wie dem Schleifen, oft nicht möglich. Jedoch bietet die Laserbearbeitung die notwendige geometrische Flexibilität und zudem eine prozessbedingte verschleißfreie Arbeitsweise.

Herausforderung der Laserbearbeitung von Hartmetall

Bei der Laserbearbeitung von Hartmetallwerkzeugen ist die eingebrachte Wärme von zentraler Bedeutung. Durch erhöhten Wärmeeintrag verändern sich die Schneidstoffeigenschaften sig­nifikant. Dies äußert sich in Gitterverzerrungen des Gefüges durch Bildung von Subkarbiden und Veränderungen der oberflächennahen Eigenspannungen des Werkzeugs.

Die gewünsch­ten Druckeigenspannungen, welche durch den Sinterprozess entstehen, werden durch die Laserbearbeitung reduziert, da thermisch Zugeigenspannungen induziert werden. Durch ge­zieltes Einstellen der Prozessstellgrößen der Lasermaschine können diese unerwünschten Schneidstoffveränderungen jedoch gering gehalten werden. Der Einsatz von ultrakurzgepulsten Laserquellen mit Pulslängen von minimal 300 Femtosekunden bietet dabei besonders hohes Potenzial, da der Wärmeeintrag in den Schneidstoff minimal ist.

Wirtschaftliche Prozessstellgrößen bei der Laserablation

Bei den Untersuchungen konnte herausgestellt werden, dass hohe Leistungen bei der Laserbearbeitung von Hartmetall das wirtschaftlichste Abtragsverhalten aufweisen. Die Verfahrgeschwindigkeit des Lasers, auch Scangeschwindigkeit genannt, hatte dabei einen untergeordneten Effekt. Dies ist darin begründet, dass eine erhöhte Leistung einen tieferen Abtrag erreicht und die Geometrien in kürzerer Zeit hergestellt werden können.

Durch eine geeignete Wahl der Prozessstellgrößen bei der Laserbearbeitung kann zudem die Schichthaftung verbessert werden. Eine verbesserte Schichthaftung hat maß­geblichen Einfluss auf die Werkzeugstandzeit und senkt die Fertigungskosten. Ein Beispiel für die Effektivität durch Laserbearbeitung eingebrachter Spanleitstufen bei Formwerkzeugen wird in der folgenden Abbildung gegeben.

Es werden Rohlinge für das Profileinstechdrehen mit und ohne laserbearbeiteter Spanleitstufe verglichen. Um ausschließlich die Auswirkungen der Spanleistufe herauszustellen, wurde auf eine Profilgeometrie verzichtet. Bei der Spanform ist deutlich zu erkennen, dass statt dem ungünstigen Bandspan kurze Bröckelspäne durch die Spanleistufe erzeugt wurden. Die kurzen Bröckelspäne sind für automatisierte Zerspanprozesse essenziell.

 

Simulative Auslegung der Spanleitstufen

In zukünftigen Untersuchungen sollen zur gezielten Auslegung der individuellen Spanleitgeo­metrien an den definierten Einstechprofilen am IFW Hannover FEM-Simulationen aufgebaut werden. Dazu müssen die Material- und Reibmodelle der zu zerspanenden Werkstoffe aufge­nommen und mit dem Realprozess abgeglichen werden. Anschließend muss über Highspeed – Aufnahmen von Hobeluntersuchungen und der Analyse der erzeugten Späne das jeweilige Bruchverhalten der zu untersuchenden Werkstoffe X5CrNi18-10 und 16MnCr5 be­stimmt werden.

Im Folgenden können die gewonnenen Werte in dem Simulationsprogramm DEFORM als Randbedingungen berücksichtigt werden. Abschließend werden die erzeugten Simulationen mit dem realen Prozess des Orthogonaleinstechdrehens verglichen und das validierte Simulationsmodell kann zur gezielten Auslegung von Spanleitstufen verwendet werden.


Die Autoren dieses Beitrags danken dem VDW – Forschungsinstitut e.V. sowie der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V. (AiF) für die organisatorische und finanzielle Unterstützung des Projekts ›Leistungssteigerung durch laserbearbeitete Hartmetallwerkzeuge‹ (IGF 20766 N). Des Weiteren gilt der Dank den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses, besonders denen der Iscar Germany GmbH, der Sauer GmbH sowie der Ewag AG für die Bereitstellung von Werkzeugen und Maschinenzeit. Das Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.


Kontakt:

www.ifw.uni-hannover.de