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Ausgewählte Ausgabe: 03-2017 Ansicht: Modernes Layout
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Ressourceneffizient Nachschleifen

Vollhartmetall (VHM)-Fräswerkzeuge werden für eine große Bandbreite an Zerspanungsaufgaben eingesetzt. Nach dem Ende ihrer Standzeit werden sie aufgrund der hohen Materialkosten von Hartmetall häufig durch einen Nachschleifprozess zur Wiederverwendung aufbereitet. Eine Herausforderung stellt dabei die Definition des Nachschleifbetrags dar. Dieser wird zumeist subjektiv anhand fester Durchmesserklassen festgelegt. Dies liegt – neben den erschwerten Messbedingungen an der Schneidkante – unter anderem an einer mangelnden Automatisierung des Messprozesses. Um den Nachschleifprozess wirtschaftlicher zu gestalten und seine Ressourceneffizienz zu erhöhen, ist eine werkzeugindividuelle Verschleißbestimmung sowie eine Optimierung des Nachschleifens selbst erforderlich.


In der Chemie-, Öl- und Luftfahrtindustrie werden aufgrund ihrer hohen Bruchzähigkeit, spezifischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig Titanlegierungen eingesetzt [1]. Bei der Fertigung von Strukturbauteilen werden dabei bis zu 95 % des Werkstückmaterials zerspant.
Aufgrund der dabei auftretenden, materialbedingt hohen Anforderungen an den Prozess sowie das Werkzeug werden Hartmetall (HM)-Werkzeuge eingesetzt [2]. Diese haben neben einer hohen Härte auch eine bessere Zähigkeit [3] und repräsentieren deshalb circa 50 % aller hergestellten Zerspanwerkzeuge [4]. Die aus der hohen Prozessbelastung resultierenden Standzeiten von lediglich 30 min bis 60 min [5], in Verbindung mit den hohen Rohstoffkosten der verwendeten VHM-Fräser, machen Nachschleifprozesse zur wirtschaftlichen Nachhaltigkeit dieser Prozesse unabdingbar, Bild 1.

Bild 1.  Lebenszyklus von Vollhartmetall-Fräswerkzeugen: Aufgrund der hohen Materialkosten werden die Werkzeuge häufig nachgeschliffen und wiederverwendet.

Bild 1.
Lebenszyklus von Vollhartmetall-Fräswerkzeugen: Aufgrund der hohen Materialkosten werden die Werkzeuge häufig nachgeschliffen und wiederverwendet.

Ausgangssituation und Zielsetzung

Bei derzeitigen Nachschleifprozessen findet die Bestimmung des Verschleißzustands meistens nur händisch durch einen Facharbeiter statt. Die Verwendung technischer Hilfsmittel beschränkt sich dabei in der Regel auf die Nutzung von Tischlupen. Dies führt neben einem hohen Ermüdungsgrad des Facharbeiters zu einer weitestgehend subjektiven und möglicherweise fehlerbehafteten Bewertung der Verschleißerscheinungen. Hieraus resultiert eine unerwünschte Schwankung der Leistungsfähigkeit beziehungsweise Standzeit der aufbereiteten Werkzeuge.
Falls die auftretenden Verschleißmerkmale als zu gering eingestuft werden, bleibt nach dem Nachschleifen eine Schädigung des Schneidkeils zurück. Im Idealfall wird diese Restschädigung erkannt und ein weiterer Nachschleifprozess nachgelagert, sodass lediglich die Kosten, nicht aber die Standzeit des Fräswerkzeugs beeinflusst werden. Wird die Restschädigung nicht erkannt oder verbleibt eine nicht sichtbare Tiefenschädigung am HM-Fräswerkzeug, wird ein geschädigter Fräser in den Fertigungsprozess eingeschleust und kann zu vorzeitigem Versagen im Prozess führen. Falls der Facharbeiter das Verschleißmerkmal hingegen als zu groß bewertet, wird im Nachschleifprozess mehr Material als nötig abgetragen und die Anzahl möglicher Nachschleifoperationen verringert sich. Dies wirkt sich negativ auf die Ressourceneffizienz sowie die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens aus.
Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) wurden unterschiedliche Messmethoden zur Verschleißmessung auf ihre Eignung überprüft. Hierzu wurden die Verschleißerscheinungen präzise quantifiziert und untersucht, in welchem Rahmen eine Tiefenschädigung an den Schneidkanten der Fräswerkzeuge vorliegt. Diese Informationen werden im späteren Verlauf des Projekts genutzt, um die Anzahl möglicher Nachschleifoperationen durch eine erhöhte Ressourceneffizienz zu steigern und den Nachschleifprozess in Bezug auf das Schleifwerkzeug, die Schleifstrategie und -parameter zu optimieren. Im Folgenden wird die Vermessung der Fräswerkzeuge betrachtet und erläutert.

Zerstörungsfreie Messverfahren

Im Zentrum der Untersuchungen stehen zunächst zerstörungsfreie Prüfverfahren, da diese das Fräswerkzeug nicht schädigen und somit auch für eine spätere Anwendung in der industriellen Praxis geeignet sind. Die untersuchten Verfahren schließen sowohl optische Messverfahren – basierend auf Streifenlichtprojektion, Fokusvariation oder Laserkonfokalmikroskopie – als auch nicht optische Verfahren wie die Farbeindringprüfung ein. Die getätigten Untersuchungen beziehen sich zunächst auf VHM-Fräser mit einem Nenndurchmesser von 25 mm, vier Schneiden und der Materialspezifikation „EMT 210“ des Herstellers Extramet.
Das Laserkonfokalmikroskop zeigt hierbei, wie die meisten laserbasierten Messsysteme, deutliche Schwächen bei der Messung der Schneidkanten auf. Im Gegensatz zu der Span- und Freifläche, welche mit einer Auflösung von 1 µm erfasst werden können, führen sehr spitze Geometrien zu einer Artefaktbildung im Messbild. Diese resultiert aus Interferenzerscheinungen des kohärenten Lichts der verbauten Laser – im vorliegenden Fall repräsentiert durch ein „µscan“-Laserkonfokalmikroskop der Firma Nanofocus. Somit ist eine Messung der Werkzeuge in einem Bereich von circa 50 µm um die Schneidkante mit diesem Messmittel nicht möglich.

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Autoren

Prof. Dr.-Ing.  Berend Denkena

Jahrgang 1959, studierte und promovierte an der Leibniz Universität Hannover. Seit 2001 leitet er das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Zudem ist er Sprecher des Sonderforschungsbereichs 653 „Gentelligente Bauteile im Lebenszyklus“.

Dr.-Ing. Thilo Grove

Jahrgang 1982, studierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover und ist seit 2009 wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW. Seit 2014 leitet er dort den Bereich  Fertigungsverfahren und promovierte 2015.

M.Sc. Mirko Theuer

Jahrgang 1990, studierte Maschinenbau an der LUH und ist seit 2016 als wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW im Bereich der Fertigungsverfahren tätig.

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