Groeb, Marvin (2022)
Experimentelle Analyse der duktilen Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide in gesinterter technischer Keramik.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022139
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Materialwissenschaft und neue Materialien erweisen sich als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Viele Prozesse, aber auch Produkte lassen sich effizienter und damit ressourcenschonender auslegen, wenn die verwendeten Materialien sich durch hohe thermische, chemische und mechanische Belastbarkeit auszeichnen. Traditionelle Materialien kommen hier an ihre Leistungsgrenze. Die technischen Keramiken wie Zirkoniumdioxid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid aber auch Siliziumnitrid zeichnen sich durch hohe Härte, große E-Moduln, hervorragende Temperaturstabilität und Chemikalienbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften entstehen durch die kurzen sp3-sp3 Bindungen und die damit einhergehenden starken kovalenten und ionischen Bindungen. Sie sind deshalb prädestiniert, Bauteile in z.B. Turbinen, Präzisionsmaschinen und der Medizinalbranche zu übernehmen. Die Bearbeitung dieser Werkstoffe, gerade durch spanabtragende Verfahren, ist jedoch zu einem großen Teil für die entstehenden Produktionskosten verantwortlich. Eine mögliche Verbesserung der Qualitätsparameter wie Ausbrüche, Oberflächennahe Schädigungen und Rauheiten lässt sich über einen duktilen Schnittmodus erreichen. Der duktile Schnittmodus ist seit längerer Zeit im Fokus intensiver Forschung, wurde bisher aber lediglich beim Diamantdrehen nachgewiesen. Grundsätzlich führt ein duktiler Schnittmodus zu erhöhtem Materialabtrag, besseren Oberflächen, geringeren Ausbrüchen durch reduzierte Schnittkraft und einen geringeren Werkzeugverschleiß. In dieser Arbeit wurden verschiedene Fräsexperimente, angelehnt an die Fräsarten nach DIN 8589 durchgeführt, mit dem Ziel die Randbedingungen, die zu einem duktilen Schnittmodus führen experimentell zu bestimmen. Die initialen Versuche finden durch das Planfräsen mit polykristallinen Diamantwerkzeugen in Siliziumkarbid statt. Hierbei wurden Parameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und die mittlere Spanungsdicke untersucht. Die erzeugten Oberflächen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie, sowie optisch mittels Konfokaler Laser Mikroskopie auf ihre morphologische Erscheinung, aber auch die Oberflächenparameter wie Rauheit und Materialanteil analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden im Anschluss auf das Umfangsfräsen übertragen. Hier wurden mithilfe von ANOVA Analysen die beeinflussenden Parameter identifiziert. Um den Einfluss der Bearbeitung auf das Material zu charakterisieren, wurde an den hergestellten Proben Raman Laser Spektroskopie, Röntgenbeugung mit niedrigen Einfallswinkel und Scanning Acoustic Microscopy durchgeführt. Hierbei wurde der Vergleich zwischen gewöhnlicher Bearbeitung (Schleifen, spröder Materialabtrag) und dem duktilen Schnittmodus durchgeführt. Im Anschluss wurden verschiedene Fräsexperimente in monokristallinen Silizium durchgeführt, da hier eine trockene Bearbeitung das Auffangen von Spänen ermöglicht, und die Einflüsse von Parametern wie Spandicke oder Fräsrichtung durch das homogene Material besser identifiziert werden können. Abschließend wurde die gefundene Systematik auf eine weitere technische Keramik (Zirkoniumdioxid) übertragen, und Experimente zum Plan- und Umfangsfräsen durchgeführt. In allen 3 Materialien konnte ein duktiler Schnittmodus erreicht werden. Dieser wird hauptsächlich durch die mittlere Spanungsdicke beeinflusst, und tritt je nach Material zwischen 40 und 80 nm auf. Mit höheren Schnittgeschwindigkeiten und größeren Querzustellungen kann diese kritische Spanungsdicke erhöht werden. Materialanalysen haben gezeigt, dass der duktile Schnittmodus zu keiner Amorphisierung, Struktur- oder Zusammensetzungsänderung, aber auch geringerer Schädigung des Materials im Vergleich zu schleifender oder spröder Bearbeitung führt.

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