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Ressourceneffizientes Nachschleifen von VollhartmetallFräswerkzeugenIGF-Nr.: 19121 NForschungseinrichtungInstitut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW), Leibniz UniversitätHannoverAnsprechpartner:Prof. Dr.-Ing. Berend DenkenaTel.: 0511 762 – [email protected] der Universität 230823 GarbsenM. Sc. Mirko TheuerTel.: 0511 762 – [email protected] der Universität 230823 GarbsenDanksagung:Das IGF-Vorhaben 19121 N (Ressourceneffizientes Nachschleifen von VollhartmetallFräswerkzeugen) der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V.wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der IndustriellenGemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energieaufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Autorenbedanken sich für die finanzielle Förderung des Forschungsprojektes. Ein besondererDank gilt allen Mitgliedern im projektbegleitenden Ausschuss für die guteZusammenarbeit und für die Unterstützung bei der Durchführung derForschungsarbeiten.IGF-19121 NSeite 1 von 15

EinleitungVor allem in der Luftfahrtindustrie steigt der Anteil an Titanstrukturbauteilen rapide an.Bei der Herstellung dieser Bauteile ergibt sich eine hohe thermische sowiemechanische Belastung an der Schneidkante der verwendeten Vollhartmetallfräser.Die daraus resultierenden Standzeiten von 30 bis 60 Minuten in Verbindung mit denhohen Kosten eines Neuwerkzeugs führen in der Folge zu sehr hohenWerkzeugkosten pro Bauteil. Deshalb wird der Lebenszyklus einesVollhartmetallfräswerkzeugs häufig durch eine Werkzeugregeneration in Form vonNachschleifprozessen verlängert (Bild 1). Die Bewertung des nachzuschleifendenAufmaßes findet in der Regel jedoch auf Grundlage des optisch sichtbarenVerschleißes individuell durch einen Werksmitarbeiter statt. Durch diese subjektiveBewertung variieren Qualität und Ressourceneffizienz des Prozesses stark inAbhängigkeit der Erfahrung des Mitarbeiters. Neben einer mangelndenRessourceneffizienz wurde in der industriellen Praxis außerdem festgestellt, dass dieStandzeiten der nachgeschliffenen Fräser um bis zu 70% von den Standzeitenvergleichbarer Neuwerkzeuge abweichen. Dies ist auf eine unzureichende Entfernungvon Mikroschädigungen und ungeeignete Schleifparameter im Nachschleifprozesszurückzuführen. Die im AIF-Projekt „Ressourceneffizientes Nachschleifen vonVollhartmetfall-Fräswerkzeugen“ (Fördernummer IFG-19121 N) imierungdiesesWiederaufbereitungsprozesses. Hierzu wurden zunächst verschiedene quantitativeund in die industrielle Praxis übertragbare Messverfahren zur objektivenVerschleißbestimmung an Vollhartmetallfräswerkzeugen untersucht. Im Anschlusswurde eine Empfehlung zur passenden Auswahl eines auf der spezifikationen optimiert, sodass die Standzeit der nachgeschliffenenFräser erhöht wird.Bild 1. Lebenszyklus eines Fräswerkzeugs [DEN17a]IGF-19121 NSeite 2 von 15

Verschleißmessung und Bestimmung des SchleifaufmaßesIm Rahmen des Projekts wurde festgestellt, dass viele Messverfahren nicht für dieindustrielle Messung von Verschleißgrößen an Fräswerkzeugen in großer Stückzahlgeeignet sind. Hierzu gehören beispielsweise Eigenspannungsmessungen oderlaserbasierte Messverfahren, da diese entweder zu aufwendig sind oder aufgrund derkomplizierten Schneidkantengeometrie ungenaue Ergebnisse liefern [DEN17a].Insbesondere die laserbasierten Systeme neigen im schneidkantennahen Bereich zurBildung optischer Artefakte, die eine quantitative Auswertung von Schädigungenunmöglich machen. Weitere Verfahren wie die Rauheitsmessung über ein Perthometeroder die Erstellung von Härtetiefenverläufen sind nicht zielführend, da diese nurunzureichend für die Bewertung von makroskopischen Schädigungen derSchneidkante geeignet sind. Zur Bestimmung makroskopischer Schädigungen in derindustriellen Praxis wurden stattdessen zwei Geräte ausgewählt, die auf demMessprinzip der Fokusvariation beziehungsweise der Streifenlichtprojektion basieren.Diese sind das Alicona Infinite Focus G5 sowie das Keyence VR 3000Streifenlichtmikroskop. Das Infinite Focus G5 liefert hierbei durch das integrierteSoftwaremodul zur Schneidkantenbewertung ausreichend Informationen zur Tiefe undAusprägung oberflächlicher Schneidkantendefekte, sodass unmittelbar ein gezieltesSchleifaufmaß zur Entfernung der makroskopischen Ausbrüche bestimmt werdenkann. Trotz des lokal begrenzten Aufnahmefelds des Mikroskops und dervergleichsweise langen Messdauer von 20 bis 30 Minuten bietet das Messsystem überdieses spezielle Auswertungsmodul mit dem Namen „Edge Master“ die Möglichkeit,Größe und Ausprägung von Schneidkantendefekte zu quantifizieren. Dabei wird derDefekt, wie in Bild 2 dargestellt, automatisch erkannt und als Messschriebausgegeben, indem u.a. das Defektvolumen, die Defektlänge entlang der Span- undFreifläche sowie andere defektbeschreibende Kennwerte ausgegeben werden.Bild 2: Messablauf und automatische Erkennung von Defekten mit dem Infinite FocusG5 [DEN17a]Das ebenfalls untersuchte und auf dem Verfahren der Streifenlichtprojektionbasierende Messgerät Keyence VR 3000 bietet mit Messzeiten unter einer Minute dieMöglichkeit zur Erzeugung von dreidimensionalen Abbildern der Schneidkante. DasMessbild zeigt bei ungünstiger Positionierung des Fräswerkzeugs zwar teilweiseArtefakte im Schneidkantenbereich. Aufgrund der kurzen Messzeiten kann dieMessung jedoch auch in der industriellen Praxis kostengünstig und schnell wiederholtwerden, bis ein artefaktfreies Bild erzeugt wurde. In das dreidimensionale Abbild desIGF-19121 NSeite 3 von 15

Werkzeugs kann anschließend mit hoher Wiederholgenauigkeit eine Linie entlang derSchneidkante gelegt und ausgewertet werden. Durch einen Abgleich der Soll-Profilliniemit dem tatsächlich gemessenen Ist-Profil kann die maximale Schädigungstiefeentlang der Schneidkante ermittelt werden (Bild 3). Diese Messmethodik ist für dieAuswertung von Defekttiefen sehr gut geeignet und kann zukünftig bei Bedarf durchMessgerätehersteller automatisiert werden, sodass eine manuelle Bedienung desMessgeräts nicht mehr erforderlich ist.Bild 3: Messung und Auswertung von Schneidkantendefekten mit dem Keyence VR3000 [DEN17b]Zur Bestimmung eines geeigneten Schleifaufmaßes muss anschließend einZusammenhang zwischen der Defekttiefe an der Schneidkante und der Ausprägungder Defekte auf der Frei- und Spanfläche hergeleitet werden. Hierzu wurde dieSchädigungsausprägung auf der Span- sowie Freifläche von 46 verschlissenenFräswerkzeugen am Ort der jeweils größten Schädigung unter einemRasterelektronenmikroskop untersucht. Die hierbei ermittelten Kennwerte waren derim Fräserquerschnitt ermittelte Verschleiß entlang der Freifläche, der Verschleißentlang der Spanfläche und die mit dem Keyence VR 3000 bestimmte, optischgemessene Defekttiefe an der Schneidkante. Außerdem wurde die Länge vonvorhandenen Mikrorissen sowie deren Abstand von der Frei- bzw. Spanflächeausgewertet [DEN17b, DEN18a]. Das Auftreten dieser Risse mit Abmessungenvonunter 0,5 µm war vorher nicht bekannt. Aufgrund mangelnder Entfernung dieser nichtsichtbaren Mikrorisse können jedoch die Standzeitschwankungen von in derindustriellen Praxis nachgeschliffenen Werkzeugen erklärt werden. Bei derAuswertung der Mikrorisse hat sich gezeigt, dass das zur Entfernung dermakroskopischen Ausbrüche notwendige und in Tabelle 1 dargestellte SchleifaufmaßIGF-19121 NSeite 4 von 15

in der Regel groß genug ist, um alle auftretenden Mikrorisse prozesssicher zuentfernen. Somit ist das zur Entfernung der makroskopischen Schädigungennotwendige Schleifaufmaß als Bewertungsgröße hinreichend, solange einMindestaufmaß von 150 µm auf Span- und Freifläche eingehalten wird [DEN18a].Tabelle 1: Empfohlenes Schleifaufmaß zur Entfernung von makroskopischen undmikroskopischen Schädigungen an Vollhartmetallwerkzeugen [DEN18a]Optisch gemesseneDefekttiefe 300 µm 300 µmAufmaß FreiflächeAufmaß Spanfläche150 µm50% von der Defekttiefe150 µm50% von der DefekttiefeRessourceneffizienz des entwickelten VerfahrensUm das Einsparpotential der neuen Aufmaßstrategie zu bewerten, wurden dieverschlissenen Fräswerkzeuge jeweils mit der industriell üblichen Vorgehensweisedurch einen Werksmitarbeiter eines Industriepartners bewertet und mit der neuenMethodik durch ein Keyence Streifenlichtmikroskop ausgewertet. Das mit der neuenStrategie hergeleitete Schleifaufmaß wurde folglich dem von einem Werksmitarbeiterermittelten Aufmaß gegenübergestellt. Letzteres basiert auf dem Prinzip eineriterativen Vorgehensweise, bei der in Schritten von 500 µm die Spanflächenachgeschliffen wird. Anschließend wird der Fräser erneut begutachtet und dasVorgehen solange wiederholt, bis sämtliche makroskopischen Schädigungen entferntwurden. Somit werden Fräser bei Schädigungen mit einer Größe von über 500 µmmehrfach von einem Mitarbeiter geprüft und nachgeschliffen. Folglich wird dieBewertung mehrfach vorgenommen und das Schleifaufmaß nicht dynamischangepasst, sodass die Kosten und die Wiederaufbereitungsdauer je Fräser ansteigen.Im Anschluss an die Entfernung der Schädigung erfolgt in der industriellen Praxis, zurSicherstellung einer scharfen Schneidkante, ein zusätzlicher Nachschleifprozess mitjeweils 100 µm Aufmaß auf der Frei- und Spanfläche.Hierbei hat sich gezeigt, dass bei ca. 63% der untersuchten Werkzeuge derspanflächenseitige Materialabtrag der industriellen Strategie deutlich höher ausfällt alsbei der neu entwickelten Methodik, sodass ein höherer Ressourcenverlust resultiert.Zudem wurden zwei der von den Werksmitarbeitern untersuchten Werkzeuge alsAusschuss eingestuft, obwohl diese mit einem beidseitigen Aufmaß auf Span- undFreifläche noch innerhalb der Toleranz hätten nachgeschliffen werden können.Abschließend wurde festgestellt, dass bei der industriellen Strategie Mikrorisse imHartmetall verbleiben können, wenn die Defekte größer als 600 µm sind. Dies ist aufdas unabhängig von der Defektgröße nur sehr geringe Freiflächenaufmaß von 100 µmzurückzuführen. Dieses Aufmaß ist kleiner als das in den vorhergegangenUntersuchungen zur Entfernung der Mikrorisse notwendige Mindestaufmaß [DEN18a].Somit verbleiben bei Schädigungen mit einer Größe von über 500 µm möglicherweiseMikrorisse im schneidkantennahen Bereich, die im ungünstigsten Fall die StandzeitIGF-19121 NSeite 5 von 15

der nachgeschliffenen Fräswerkzeuge reduzieren oder zum Werkzeugversagenführen.Durch das gezielt an die vorliegende Schädigung angepasste Schleifaufmaß könnenbei Schädigungen bis zu einer Größe von 500 µm deutliche Ressourceneinsparungendurch die entwickelte Schleifstrategie erzielt werden. Hierbei wird so wenig Hartmetallwie möglich abgetragen und gleichzeitig sichergestellt, dass keine Schädigungen amFräswerkzeug verbleiben. Zudem ist zu beachten, dass bei der konventionellenStrategie durch das hohe Spanflächenaufmaß der Zahn des Fräsers stärkergeschwächt wird, sodass die Standzeiten der geschliffenen Fräser gegebenenfallsweiter reduziert werden. Im Gegensatz hierzu basiert die neu entwickelteNachschleifmethodik auf einem symmetrischen Materialabtrag von Span- undFreifläche. Hierdurch verringert sich der Durchmesser des Fräsers stärker, jedoch wirddie Zahndicke in geringerem Maße reduziert.Innerhalb der untersuchten Stichprobe an verschlissenen Fräsern wiesen ca. zweiDrittel der Werkzeuge Schädigungen mit einer Defekttiefe von unter 500 µm und nurein Drittel größere Beschädigungen auf. Diese statistische Größenverteilung wurdeanschließend theoretisch auf einen industriellen Nachschleifprozess mit ca. 10.000Fräswerkzeugen extrapoliert. Dabei wurde der in Bild 4 dargestellte Lebenszyklus mitden ebenfalls dargestellten Wahrscheinlichkeiten für Werkzeugausfall undWerkzeugnachschliff berechnet. Demnach werden 35 % der verschlissenenFräswerkzeuge mit einem Aufmaß von mehr als 100 µm nachgeschliffen. Innerhalbdieser Gruppe wurde eine Schädigungsgrößenverteilung angenommen, die derStichprobe an industriell verschlissenen Fräswerkzeugen entspricht. Auf Grundlageder Extrapolation wurde dabei festgestellt, dass bei einer vorgegebenenDurchmesserverringerung von maximal 2 mm unter Verwendung der neu entwickeltenMess- und Bewertungsmethodik ca. 30% mehr Nachschleifoperationen im Vergleichzur konventionellen Nachschleifstrategie durchgeführt werden können.IGF-19121 NSeite 6 von 15

Bild 4: Lebenszyklus eines Vollhartmetallfräswerkzeugs in einem beispielhaftenIndustrieunternehmen und Änderung des Lebenszyklus durch das Projekt„Autoregrind“Optimierung des NachschleifprozessesDer Schleifprozess selbst bietet ebenfalls ein großes Potential zur Optimierung, da inder industriellen Praxis Standzeitschwankungen von nachgeschliffenen Werkzeugenfestgestellt wurden. Diese Schwankungen der Standzeiten liegen im Bereich von 30%bis 130% im Vergleich zu Neuwerkzeugen. Sie werden entweder durch verbleibendeMikroschädigungen am Fräswerkzeug oder durch ungeeignete Prozessstellgrößenbeim Schleifen hervorgerufen, sodass ungünstige Zugeigenspannungen eingebrachtwerden. Deswegen wurde im Rahmen des Projekts weiterhin der eifen,wiez.B.dieSchleifscheibenspezifikation und die Prozessstellgrößen, untersucht und optimiert.Abschließend wurden Fräsversuche durchgeführt, anhand derer die Standzeitenunterschiedlich nachgeschliffener Fräser ermittelt wurden. Dabei werden die industriellnachgeschliffenen Werkzeuge mit Neuwerkzeugen sowie mit solchen Werkzeugengegenübergestellt, die mit den neu ermittelten, optimierten Stellgrößen desSchleifprozesses nachgeschliffen wurden. Somit wird der Einfluss desNachschleifprozesses auf die Fräswerkzeugstandzeiten ermittelt und die Güte derunterschiedlichen Schleifverfahren bewertet.Zunächst wurde der Einfluss unterschiedlicher Bindungstypen auf das ersucht.DieErgebnissedieserUntersuchungen sind zusammenfassend in Bild 5 dargestellt. Die sehr hohenWerkstückrauheiten (Rz 5 µm) bei der keramischen Bindung und die schlechtenIGF-19121 NSeite 7 von 15

Dämpfungseigenschaften der Metallbindung haben dabei zum Ausschluss dieserbeiden Bindungskonzepte geführt. Die Hybrid- und Kunstharzbindung wurdenaufgrund ihrer Vorteile hinsichtlich Rauheit und eingebrachten Druckeigenspannungenim Folgenden weitergehend untersucht. Die verschleißfestere Hybridbindung wirdhierbei für den Nutentiefschliff eingesetzt, während die Kunstharzbindungen für dieUmfangs- und Stirnbearbeitung eingesetzt wird.Bild 5: Einfluss unterschiedlicher Bindungsarten auf den SchleifprozessFür beide Bindungen wurde der Einfluss der Schleifscheibenspezifikation in Bezug aufKorngröße und -konzentration untersucht. Die hieraus resultierenden Ergebnisse sindzusammenfassend in Bild 6 dargestellt und zeigen auf, dass sehr kleine Körner sowieniedrige Kornkonzentrationen beim Werkzeugschleifen zu einem erhöhtenWerkzeugverschleiß des Schleifwerkzeugs führen. Dies liegt in einer hohen lokalenBindungsbelastung begründet, die aus dem geringeren Spanraum und der höherenglobalen Belastung der Werkzeuge resultiert. Dieser Verschleiß ruft wiederumAbweichungen in Bezug auf die geschliffene Geometrie der Fräser hervor. Um denEinfluss dieser Verschleißeffekte bei den weiteren Untersuchungen zu reduzieren,wurde Werkzeugsatz 3 mit den Korngrößen D76 bzw. D64 für die weiterenUntersuchungen verwendet [DEN18b].IGF-19121 NSeite 8 von 15

Bild 6: Einfluss der Schleifscheibenkörnung auf das SchleifergebnisUnter Verwendung dieser Schleifwerkzeuge wurden die Prozessstellgrößen in Formvon Hubzustellung, Vorschubgeschwindigkeit und Schnittgeschwindigkeit itkannhierbeidieEinzelkornspanungsdicke beim Schleifen unmittelbar beeinflusst beziehungsweiseverringert werden. In der Folge sinkt die mechanische Belastung an denDiamantkörnern und die Bindung wird lokal niedriger belastet. Durch die höhereDrehzahl der Schleifwerkzeuge befinden sich die Schleifkörner dabei jedoch ebenfallshäufiger im Eingriff, sodass die Rauheiten auf der Freifläche aufgrund der Einebnungvon Rauheitsspitzen sinken (Bild 7) und die globale Werkzeugbelastung steigt. DieserAnstieg der globalen Bearbeitungskräfte wurde ebenfalls in den prozessbegleitendgemessenen Schleifmomenten erkenntlich und kann zu einer erhöhten Abdrängungder Fräser im Schleifprozess führen. Aufgrund der geringen Zustelltiefen beimNachschleifen von Fräswerkzeugen wurde eine zunehmende geometrischeUngenauigkeit durch diese Abdrängungseffekte jedoch nicht festgestellt.IGF-19121 NSeite 9 von 15

Bild 7: Erzeugte Oberflächenrauheit auf den Freiflächen in Abhängigkeit derSchnittgeschwindigkeitZur Untersuchung des Einflusses von Hubzustellung und Vorschubgeschwindigkeit beigleichbleibender Produktivität wurde die Nachschleifstrategie mehrstufig variiert. In derindustriellen Praxis werden häufig wirtschaftlich vorgegebene Bearbeitungszeiten undein pauschales Schleifaufmaß für den Nachschliff eines Werkzeugs genutzt. Diesekönnen auf der Werkzeugmaschine durch unterschiedliche Strategien realisiertwerden. Entweder wird das Gesamtaufmaß in einem einzelnen Hub und mit sehrniedriger Vorschubgeschwindigkeit abgenommen, oder das Gesamtaufmaß wird inmehrere Hübe aufgeteilt und mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit entfernt,sodass die Prozesszeit insgesamt konstant bleibt (Bild 8). Diese beiden Strategienwurden um drei Zwischenstufen ergänzt und es wurden drei Fräser je Stufe mit einerHubzahl zwischen 1 und 5 geschliffen.IGF-19121 NSeite 10 von 15

Bild 8: Unterschiedliche Strategien zum Nachschleifen von FräswerkzeugenBei der Auswertung der geschliffenen Fräser wird deutlich, dass die Schleifstrategieeinen deutlichen Einfluss auf die geschliffenen Werkzeuge und insbesondere derenSchärfe beziehungsweise Schartigkeit hat. Eine geringere Hubzahl und die darausresultierenden niedrigeren Vorschubgeschwindigkeiten beim Erzeugen derSchneidkante reduzieren deren Schartigkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass fürdie Erzeugung der Schneidkante immer der letzte oberflächenerzeugende Hub desSchleifprozesses entscheidend ist. Wenn dieser, wie bei der 1-Hub Strategiegeschehen, mit geringeren Vorschüben durchgeführt wird, greifen die Körner öfter indas Werkstück ein und die Einzelkornspanungsdicke sinkt. Dies führt zu einerbesseren Reduzierung der Rauheit und zu weniger Mikroausbrüchen an der Schneide,sodass die Schneidkantenschartigkeit sinkt.Neben der Erzeugung geringerer Schartigkeiten hat eine niedrigereVorschubgeschwindigkeit positive Auswirkungen auf die mechanische Belastung derverwendeten Schleifscheiben. Die hohen Vorschubgeschwindigkeiten, kombiniert mitniedrigen Zustellungen, führen zu einem gesteigerten Materialabtrag auf einerkleineren Teilfläche der Schleifscheibe. Der Eingriffsbereich der Schleifscheibe istsomit in radialer Richtung deutlich stärker belastet. Dieser hohen Belastung in radialerRichtung des Werkzeugs halten die Topfschleifscheiben nur begrenzt stand, sodassnach jeweils 3 Fräsern bei den Strategien mit 5 und 4 Hüben einSchleifwerkzeugversagen hervorgerufen wird (Bild 9). Die erste Topfschleifscheibe mitder Korngröße D64 wurde durch die hohe mechanische Belastung im Prozess mit 5Hüben so stark geschwächt, dass der Schleifbelag beim Schleifen einesKonturabdrucks in einem Modellwerkstoff auf dem gesamten Umfang ausgebrochenist (Bild 9 links). Deshalb wurde für die Schleifstrategie mit 4 Hüben auf eine baugleicheIGF-19121 NSeite 11 von 15

Topfschleifscheibe mit Korngröße D54 ausgewichen. Diese unterlag bereits nach demersten Fräser einem großen Kantenverschleiß, sodass der Durchmesser des zweitengeschliffenen Fräsers bereits außerhalb der Toleranz über dem Sollmaß von 19,4 mmlag. Beim Schleifen des letzten Fräsers unter Verwendung dieser Strategie wurdedieser Effekt weiter verstärkt und es kam analog zu der Schleifstrategie mit 5 Hübenzu einem Versagen der Schleifscheibe. Dieser äußerte sich durch den Ausbruch vonTeilen des Schleifbelags (Bild 9 rechts). Der hohe lokale Verschleiß derSchleifscheiben bei der Verwendung sehr hoher Vorschubgeschwindigkeiten hataußerdem zu einer starken Streuung des Bearbeitungsergebnisses in Form einerStreuung der gemessenen Schartigkeiten geführt.Bild 9: Schleifscheibenversagen der Topfschleifscheiben aufgrund zu hohermechanischer Belastung bei der 5-Hub (links) und 4-Hubstrategie (rechts)Standzeituntersuchung der nachgeschliffenen FräswerkzeugeAbschließend wurde die hergeleitete Methodik verifiziert. Hierzu wurde untersucht, obdie Fräswerkzeuge, die mit der weiterentwickelten Methodik nachgeschliffen wurden,zu Neuwerkzeugen vergleichbare Standzeiten aufweisen. Zu diesem Zweck hat einIndustriepartner vier Fräswerkzeuge mit den üblicherweise von ihm verwendetenProzessstellgrößen und Schleifscheiben nachgeschliffen. Vier weitere Fräswerkzeugewurden ebenfalls von dem Industriepartner mit den im Projekt Autoregrind ermitteltenProzessstellgrößen und Schleifwerkzeugen nachgeschliffen. Alle Fräser wurden imAnschluss in Bezug auf ihre geometrischen Merkmale und die vorliegendenSchartigkeiten gemessen und mit vier Neuwerkzeugen verglichen. Zwischen denunterschiedlich nachgeschliffenen Fräsern bestanden hierbei nur vernachlässigbareUnterschiede in der geometrischen Ausprägung der Span- und Freiwinkel sowieAußendurchmesser. Die Neuwerkzeuge wiesen hingegen, aufgrund einer kurzfristigenZeichnungsänderung des Fräswerkzeugzulieferers, die bei den nachgeschliffenenFräsern noch nicht berücksichtigt wurde, leicht geänderte Freiwinkel auf. Außerdemliegen die Durchmesser der Neuwerkzeuge mit 25 mm deutlich über denDurchmessern der nachgeschliffenen Fräswerkzeuge (22,5 mm). Damit gebnissederVerschleißuntersuchungen beim Fräsen hat, wurden die Spindeldrehzahlen beimIGF-19121 NSeite 12 von 15

Fräsen individuell angepasst und somit eine konstante Schnittgeschwindigkeit von63 m/min sowie ein konstanter Zahnvorschub von 0,1 mm eingestellt.Die Fräser wurden vor ihrem Einsatz unter einem Keyence Digitalmikroskop optischinspiziert und auf Vorschädigungen untersucht. Daraufhin wurden die Fräser zurZerspanung von Ti6Al4V eingesetzt und nach der ersten Bahn auf Initialverschleißsowie nach vier, acht und zwölf Minuten Einsatzzeit hinsichtlich der Größeunterschiedlicher Verschleißmerkmale untersucht (siehe Bild 210). Insbesonderewurden hierbei der Eckenradius des Fräsers und der umfangsseitige Übergangspunktvon sich im Eingriff befindlicher zu unbelasteter Schneide untersucht. An diesenbeiden Punkten tritt üblicherweise die höchste Belastung des Werkzeugs und somit inder Regel die größte Schädigung in Form von Freiflächenverschleiß und Ausbrüchenauf. Als Kriterien für das Standzeitende der Fräser wurde eine VerschleißmarkenbreiteVB von 200 µm oder eine Ausbruchsgröße CH von 60 µm definiert.Bild 20: Bilder der Schneidkante im Eckenradius vor dem Einsatz des Fräsers undnach einer definierten SchnittzeitDer Verlauf des Fräswerkzeugverschleißes in Bezug auf die unterschiedlichengeschliffenen Fräser ist für die Größe der Schneidkantenausbrüche in Bild 11dargestellt. Bei industriell nachgeschliffenen Werkzeugen wurde eine Standzeit vonca. 4,5 min bis zur Erfüllung des Standzeitkriteriums erreicht. Bei einer weiterenErhöhung der Schnittzeit wurden Schneidkantenausbrüche bis zu einer Größe von980 µm festgestellt, die das Werkzeug unbrauchbar machen. Im Gegensatz dazuhielten die mit der neu entwickelten Methodik nachgeschliffenen Fräser der Belastungim Durchschnitt 8,5 min stand. Dies entspricht einer Standzeiterhöhung im Vergleichzur konventionellen Nachschleifstrategie um bis zu 88%. Diese resultiert vermutlichaus erhöhten Druckeigenspannungen an der Schneidkante, die aufgrund derIGF-19121 NSeite 13 von 15

geometrischen Bedingungen an der Schneidkante jedoch nicht durch Messungenverifiziert werden konnten. Das Standzeitkriterium für einen Freiflächenverschleiß vonVBmax 200 µm wurde bei keinem der untersuchten Fräser erreicht. Für dieNeuwerkzeuge galt, dass zwei der drei untersuchten Neuwerkzeuge nach 8 minaufgrund von Ausbrüchen mit einer Größe von über 110 µm ihr Standzeitende erreichthatten. Das dritte untersuchte Neuwerkzeug hat sein Standzeitende erst nach 12 minerreicht. Da sich die industriellen Standzeitbewertungen von Fräswerkzeugen in derRegel jedoch an der Prozesssicherheit orientiert, wird die minimale Standzeit, die vonallen Werkzeugen erreicht wird, als Bewertung der Standzeit herangezogen. Diesebeträgt im vorliegenden Fall 8 min. Durch eine Optimierung der Schleifwerkzeuge undder Prozessstellgrößen kann somit die Standzeit von nachgeschliffenen Fräsern umbis zu 88% verlängert und auf das Niveau von Neuwerkzeugen angehoben werden.Bild 11: Verlauf der Schneidkantenausbrüche in Abhängigkeit der Schnittzeit fürunterschiedlich geschliffene FräswerkzeugeZusammenfassungIm Rahmen des IGF-Vorhabens 19121 N zum Thema „RessourceneffizientesNachschleifen von Vollhartmetallfräswerkzeugen“ wurde erfolgreich eine erschlissenenVollhartmetallfräswerkzeugen erlaubt. Dabei wurden sämtliche industriellenAnforderungen bezogen auf Messdauer und Messgenauigkeit berücksichtigt undeingehalten. Ferner wurde ein statistisch abgesichertes Aufmaß zur Entfernung vonmakroskopischen und mikroskopischen Schädigungen hergeleitet, sodass auchäußerlich nicht sichtbare Schädigungen in Form von Mikrorissen prozesssicherentfernt werden. Die Standzeiten der nachgeschliffenen Fräswerkzeuge werdenIGF-19121 NSeite 14 von 15

dadurch erhöht. Durch eine Extrapolation der Schädigungen von einer aus einemindustriellen Prozess entnommenen Stichprobe an Fräswerkzeugen konnte aufgezeigtwerden, dass die Fräser mit der neu entwickelten Methodik bei identischerDurchmesserverringerung bis zu 30% häufiger nachgeschliffen werden können. ImAnschluss wurde der Nachschleifprozess in Bezug auf den Einfluss vonSchleifscheibenspezifikation und Prozessstellgrößen auf das Schleifergebnisuntersucht. Auf Grundlage dieser Untersuchung konnte die am besten geeigneteKombination aus Schleifwerkzeugzusammensetzung und Prozessstellgrößen zumNachschleifen aufgezeigt werden. In abschließenden Fräsuntersuchungen wurde dieStandzeit von konventionell nachgeschliffenen Fräsern mit den Standzeiten von indiesem Projekt nachgeschliffenen Fräsern und Neuwerkzeugen verglichen. Dabeiwurde durch die neu entwickelte Methodik eine Standzeiterhöhung in Höhe von 88%verglichen mit den konventionell nachgeschliffenen Werkzeugen erreicht. DieStandzeiten der im Rahmen dieses Projekts nachgeschliffenen Fräswerkzeuge lagsomit auf einem vergleichbaren Niveau mit dem von Neuwerkzeugen. Entsprechendwurde die zu Projektbeginn von den industriellen Partnern adressierte Problem, dassdie Standzeit nachgeschliffener Werkzeuge niedriger als die Standzeit entsprechenderNeuwerkzeuge ist und stark streut, ebenfalls behoben.Literaturquellen[DEN17a] Denkena, B.; Grove, T.; Theuer, M.: Ressourceneffizient Nachschleifen– Quantitative Verschleißmessung an Vollhartmetall-Fräswerkzeugen,VDI-Z 159, Nr. 3 (März), S.43-45, 2017[DEN17b] Denkena, B.; Grove, T.; Theuer, M.: Mikrorisserkennung anverschlissenen Vollhartmetallfräswerkzeugen, dihw 9 – 3, S. 24-29, 2017[DEN18a] Denkena, B.; Grove, T.; Theuer, M.: Micro Crack Formation in HardmetalMilling Tools, International Journal of Refractory Metals & HardMaterials, Vol. 17, S. 210-214, 2018[DEN18b] Denkena, B.; Grove, T.; Theuer, M.; Liu, Y.: Resource Efficient Regrindingof Cemented Carbide Milling Tools; Procedia CIRP Vol. 69, S. 882-887,2018.IGF-19121 NSeite 15 von 15

entlang der Spanfläche und die mit dem Keyence VR 3000 bestimmte, optisch gemessene Defekttiefe an der Schneidkante. Außerdem wurde die Länge von vorhandenen Mikrorissen sowie deren Abstand von der Frei- bzw. Spanfläche ausgewertet [DEN17b, DEN18a]. Das Auftreten dieser Risse