Neue Methoden zur Entwicklung und Herstellung von Hochleistungswerkzeugen für die Bohrbearbeitung von Inconel 718

Abstract

Zum Fertigen von Bohrungen geringer Durchmesser in Bauteilen aus hochwarmfesten Nickelbasislegierungen kommen in der Regel Werkzeuge aus Hartmetall zum Einsatz. Da diese eine begrenzte Warmfestigkeit aufweisen, müssen die auftretenden Temperaturen gering gehalten werden, um vorzeitigem Werkzeugverschleiß und einer Beeinträchtigung der Bohrungsqualität vorzubeugen. Durch die erschwerte Zugänglichkeit der Wirkstelle beim Bohren sind die Möglichkeiten zur effektiven Prozesskühlung zusätzlich eingeschränkt. Daher können bislang nur moderate Schnittwerte eingesetzt werden, wodurch die Produktivität limitiert ist. Frühere Arbeiten konnten aufzeigen, dass ein Absatz in die Freifläche von Zerspanwerkzeugen den auftretenden Verschleiß reduziert. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde dieses Konzept einer Freiflächenmodifikation weiterentwickelt. Dazu wurden zunächst Referenzversuche durchgeführt, um die lokalen Schneidenbelastungen zu analysieren. Untersucht wurde, neben dem Verschleißverhalten der Werkzeuge, insbesondere das thermomechanische Belastungskollektiv. Die Erkenntnisse dienten anschließend als Eingangsdaten für die simulationsgestützte Auslegung. Mit ihrer Hilfe wurde zunächst eine Werkzeugmodifikation mit großvolumigem Absatz an der Freifläche ausgelegt. So modifizierte Werkzeuge wiesen in den nachfolgenden Validierungsversuchen signifikante Vorteile im Verschleißverhalten auf. Die Versuchsergebnisse deuteten allerdings darauf hin, dass insbesondere die Schneidenecken hohen Belastungen unterliegen, so dass ihre effektive Kühlung als wichtige Zielgröße identifiziert wurde. Darauf basierend erfolgte eine weiterführende Modifikation des Wendelbohrers durch zusätzliche Strömungskanäle, um den Kühlschmierstofffluss, und damit die Wärmeabfuhr aus dem Prozess, weiter zu verbessern. Auf diese Weise modifizierte Werkzeuge zeigten in anschließenden Untersuchungen erhebliche Standzeitvorteile. Die durchgeführten Analysen belegen, dass die entwickelte Werkzeugmodifikation ein großes Potenzial zur Effizienzsteigerung bei der Bohrbearbeitung hochwarmfester Nickelbasislegierungen besitzt. So ließen sich sowohl die Werkzeuglebensdauer als auch die Qualität der gefertigten Bohrungen signifikant steigern, was auf eine experimentell nachgewiesene Verringerung der Schneidentemperaturen durch Verbesserung der Kühlschmierstoffversorgung zurückzuführen ist. Die erfolgreiche Entwicklung und Umsetzung der Modifikation zeigt, dass diese das Einsatzverhalten von Bohrwerkzeugen grundlegend verbessern kann. Künftige Arbeiten werden darauf abzielen, die auftretenden Wirkmechanismen detaillierter zu untersuchen und die Werkzeugmodifikation auf weitere anspruchsvolle Anwendungsfälle zu übertragen.