Im Zuge dieser Projektarbeit werden Werkstücke aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4+QT und Werkstücke aus dem austenitischen nicht-rostenden Stahl X2CrNiMo17-12-2 mit Bohrwerkzeugen unterschiedlicher Schneidkantengestalt zerspant. Alle Bauteile verfügen über eine zylindrische Form, die dem Spitzenwinkel der Bohrer entspricht, so dass beide Schneiden des Werkzeugs gleichzeitig aus dem Bauteil treten. Die Schneidkanten unterscheiden sich in ihren Verrundungen. Es kommen folgende drei Schneidkantenverrundungen zum Einsatz: geschliffen, gering verrundet und hoch verrundet. Des Weiteren wird der Durchmesser der Bohrwerkzeuge variiert von d = 14 mm zu d = 8,5 mm. Im Vorfeld der Untersuchungen werden alle eingesetzten Bohrer einer Schneidkantenvermessung mittels Lasertriangulation unterzogen und stichprobenweise durch Rasterelektronenmikroskopie auf Beschädigungen untersucht. Die Versuche werden so durchgeführt, dass der Zeitpunkt des Austritts des Bohrers aus dem Werkstück mit der Thermografiekamera festgehalten und anschließend untersucht wird.
Ziel der Ausarbeitung ist es, fundierte Zusammenhänge zwischen der Schneidkantengestalt und der Temperatur der Schneidkante im Prozess herzuleiten, um so Beurteilungen zum Verschleißverhalten anstellen zu können.
Inhaltsverzeichnis
1. EINLEITUNG
2. STAND DER TECHNIK
2.1 BOHREN, SENKEN, REIBEN
2.1.1 BOHRVERFAHREN
2.1.1.1 Gestalt des Wendelbohrers
2.1.1.2 Mechanische Belastung am Wendelbohrer
2.1.1.3 Thermische Belastung am Wendelbohrer
2.1.1.4 Schneidkantengestalt und Kantenpräparation
2.2 STAHLWERKSTOFFE
2.2.1 GRUNDLAGEN
2.2.2 VERGÜTUNGSSTÄHLE
2.2.3 NICHTROSTENDE STÄHLE
2.3 TEMPERATURMESSUNG BEIM BOHREN
2.3.1 STRAHLUNGSMESSUNG
2.3.2 FEHLERURSACHEN
3. EXPERIMENTELLE RANDBEDINGUNGEN
3.1 BEARBEITUNGSZENTRUM
3.2 WERKZEUGE
3.3 WERKSTÜCKE
3.4 MESSTECHNIK UND ANALYSEMETHODEN
3.4.1 INFRAROT-THERMOGRAFIE
3.4.2 RASTERELEKTRONENMIKROSKOPIE
3.4.3 SCHNEIDKANTENVERMESSUNG
4. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG
4.1 MESSUNG DER EMISSIONSGRADE
4.2 KAMERAAUFBAU
4.3 BEARBEITUNGSABLAUF
5. VERSUCHSBEOBACHTUNGEN
5.1 BEARBEITUNGSEINHEIT 1
5.2 BEARBEITUNGSEINHEIT 2
5.3 BEARBEITUNGSEINHEIT 3
5.4 BEARBEITUNGSEINHEIT 4
5.5 BEARBEITUNGSEINHEIT 5
5.6 BEARBEITUNGSEINHEIT 6
5.7 BEARBEITUNGSEINHEIT 7
5.8 BEARBEITUNGSEINHEIT 8
6. AUSWERTUNG
6.1 EINFLUSS DER SCHNEIDKANTENVERRUNDUNG
6.2 EINFLUSS DER SCHNITTPARAMETER UND DER WERKSTOFFE
7. AUSBLICK
Zielsetzung & Themen
Ziel der Arbeit ist es, fundierte Zusammenhänge zwischen der Schneidkantengestalt von Bohrwerkzeugen und den im Prozess auftretenden Temperaturen herzuleiten, um so Beurteilungen hinsichtlich des Verschleißverhaltens zu ermöglichen.
- Analyse der thermischen Belastung beim Wendelbohren mittels Infrarot-Thermografie.
- Untersuchung verschiedener Schneidkantengestalten (geschliffen, gering und hoch verrundet).
- Einfluss von Schnittparametern (Konventionell vs. HPC) auf die thermische Belastung.
- Vergleichende Untersuchung der Werkstoffe 42CrMo4+QT und X2CrNiMo17-12-2.
- Ermittlung von Korrelationen zwischen Schneidkantenverrundung und Temperaturgradienten.
Auszug aus dem Buch
2.1.1.3 Thermische Belastung am Wendelbohrer
Während des Zerspanvorganges wird der größte Teil der aufgewendeten mechanischen Energie fast vollständig in Wärmeenergie umgewandelt [Kro54, Moh00]. Diese umgewandelte Wärme wird von allen am Prozess beteiligten Partnern, wie dem Werkzeug, dem Werkstück und den Spänen aufgenommen, wobei die Verteilung zu ungleichen Teilen erfolgt. Oxidations- und Diffusionsvorgänge, die den Werkzeugverschleiß begünstigen, werden mit höheren Temperaturen beschleunigt, sodass es diese zu vermeiden gilt.
Im Zerspanprozess wird der Span durch plastische Umformung des Werkstoffs in der Scherzone stark erwärmt. Weitere Wärmequellen bilden die Reibungsbereiche zwischen Span und Spanfläche, sowie zwischen Freifläche und dem Bohrungsgrund [Kön02]. Die Scher- und die Reibzonen am Werkzeug bilden somit die wesentlichen Wärmequellen. Als Folge dieser Wärmeübertragung und Wärmeleitung bilden sich im Werkzeug und Werkstück entsprechende Temperaturfelder aus [War73]. Die Temperaturfelder verändern sich so lange, bis ein Gleichgeweicht zwischen der erzeugten und der abgeführten Wärmenergie entsteht [Kön02]. Das dabei entstehende Temperaturniveau an der Schneide hat einen großen Einfluss auf den Verschleiß am Werkzeug. Abbildung 2.5 zeigt solch ein Temperaturfeld und gibt Aufschluss über die von Werkzeug, Werkstück und Span aufgenommen Wärmemengen. Hieraus wird ersichtlich, dass der größte Teil der Wärme mit ca. 75 % über die Späne abgeleitet wird. 18 - 20 % der Wärme wird an das Werkzeug abgegeben und die übrigen 5 - 7 % verlaufen in das Bauteil.
Zusammenfassung der Kapitel
1. EINLEITUNG: Einführung in die Problematik des Wendelbohrens und die Zielsetzung der Analyse der thermischen Belastung als Indikator für den Werkzeugverschleiß.
2. STAND DER TECHNIK: Zusammenfassung der Grundlagen zu Bohrverfahren, Stahlwerkstoffen und den physikalischen Prinzipien der Infrarot-Temperaturmessung.
3. EXPERIMENTELLE RANDBEDINGUNGEN: Beschreibung der verwendeten Versuchseinrichtung, der Werkzeuge, Werkstoffe sowie der Messtechnik (Thermografie, REM, Lasertriangulation).
4. VERSUCHSDURCHFÜHRUNG: Erläuterung der Vorbereitungen, insbesondere der Emissionsgradmessung, des Kameraaufbaus und des systematischen Versuchsablaufs.
5. VERSUCHSBEOBACHTUNGEN: Detaillierte Darstellung der gemessenen Temperaturverläufe für die acht verschiedenen Bearbeitungseinheiten unter variierenden Prozessbedingungen.
6. AUSWERTUNG: Analyse der Einflüsse von Schneidkantenverrundung, Schnittparametern und Werkstoffen auf die Maximaltemperaturen an der Werkzeugschneide.
7. AUSBLICK: Zusammenfassende Schlussfolgerung über den Einfluss der Kantenpräparation auf die thermische Belastung sowie Empfehlungen für weiterführende Untersuchungen.
Schlüsselwörter
Wendelbohren, Thermografie, Schneidkantenverrundung, Infrarotmessung, Zerspanung, Werkzeugverschleiß, Stahlwerkstoffe, HPC-Prozessparameter, Temperaturverteilung, Prozesssicherheit, Kantenpräparation, 42CrMo4+QT, X2CrNiMo17-12-2, Spanbildung, Emissionsgrad.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Projektarbeit analysiert die thermische Belastung von Bohrwerkzeugen während des Wendelbohrens, um Rückschlüsse auf das Verschleißverhalten ziehen zu können.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit fokussiert sich auf die Schneidkantengestalt, die Auswirkung der Schnittparameter und die thermische Charakterisierung von Stahlwerkstoffen mittels Infrarot-Thermografie.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsarbeit?
Das Ziel ist es, Zusammenhänge zwischen der Schneidkantengestalt (Verrundung) und der Prozesstemperatur herzuleiten, um die Verschleißbeständigkeit der Bohrwerkzeuge zu bewerten.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Es werden experimentelle Bohrversuche durchgeführt, deren Temperaturverläufe berührungslos mittels hochauflösender Infrarot-Thermografie erfasst und anschließend ausgewertet werden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil umfasst die experimentellen Randbedingungen, die detaillierte Versuchsdurchführung, die Beobachtung der Temperaturverläufe in verschiedenen Bearbeitungseinheiten sowie die systematische Auswertung der Ergebnisse.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Untersuchung?
Die wichtigsten Begriffe sind Wendelbohren, Schneidkantenverrundung, Infrarot-Thermografie, Zerspanungstemperatur und Werkzeugverschleiß.
Welchen Einfluss hat die Schneidkantenverrundung auf die Temperatur?
Die Untersuchungen zeigen, dass stark verrundete Schneidkanten tendenziell zu höheren Prozesstemperaturen führen als geschliffene Schneidkanten, da bei größerem Radius eine höhere Energie-Dissipation stattfindet.
Welche Herausforderungen traten bei der Infrarotmessung auf?
Probleme wie Spankappenbildung und Spanstauung bei HPC-Parametern erschwerten teilweise den freien Blick auf die Schneidkante, was die Aussagekraft einzelner Messungen beeinflusste.
- Arbeit zitieren
- Dimitri Zeilinger (Autor:in), 2015, Analyse der thermischen Belastung beim Wendelbohren unter Einsatz verschiedener Schneidkantengestalten mithilfe der Thermografie, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/379665
