Grundlagen der Schlichtbearbeitung mit Wiper-Geometrien

Abstract

Wiper-Geometries can create with a better roughness on the workpiece at a higher feed-rate. The machining process is hence getting a productivity shift. The simplified rules for cutting force and roughness that apply to machining are no longer fully applicable to these tool types. In addition to recommendation to the use of wiper geometries for finishing and boring, a cutting force and a roughness model based on the elastic-plastic material behaviour under the cutting edge are provided in this work. The two quality-determining factors for finishing and boring, roughness and cutting force, are optimized empirically and by a determined variation of the macro and micro geometry in this work. With the recommendations for action derived from these analyses, productivity can be increased by a factor of 20 when boring high precision bores. The effects of the elastic-plastic material behaviour under the cutting-edge during machining are also dealt with in this work. This focuses on the elastic component, the spring back including two experimental methods and its correlation to cutting parameter, cutting edge radius and workpiece properties. Also in this work presented is a cutting force model based on Merchant, enhanced by the effects of the cutting-edge rounding. The determination of the shear yield stress for an ideal sharp cutting edge is done by extrapolation from measured values with a rounded cutting edge. With the described equations and coefficients, both the cutting force and the passive force can be forecasted precisely. The shown geometric roughness model transfers the “Spanzipfeltheorie” according to Brammertz onto wiper geometries. On the one hand, the empirical measured values of the spring back and, on the other hand, the setting error of the wiper are included in this model. The included equations show the effect of both factors on the roughness. The results of this work regarding the elastic-plastic material behaviour and the models based on it for cutting force and roughness for wiper geometries can be applied to all areas of metal cutting.

Wiper-Geometrien sind in der Lage, mit höherem Vorschub eine bessere Rauheit am Bauteil zu erzeugen. Der mechanische Bearbeitungsprozess erfährt damit eine enorme Produktivitätssteigerung. Die bei der Zerspanung geltenden vereinfachten Regeln für Zerspankraft und Rauheit sind bei diesen Werkzeugtypen jedoch nicht mehr vollumfänglich anwendbar. Neben Empfehlungen für den Einsatz von Wiper-Geometrien beim Schlichten und Ausdrehen werden in dieser Arbeit ein Zerspankraft- sowie ein Rauheitsmodell basierend auf dem elastisch-plastischen Materialverhalten unter der Schneide vorgestellt. Die beiden qualitätsbestimmenden Faktoren beim Schlichten und Ausdrehen, Rauheit und Zerspankraft, werden in dieser Arbeit empirisch untersucht und durch eine gezielte Variation der Makro- und Mikrogeometrie optimiert. Mit den aus diesen Analysen resultierenden Handlungsempfehlungen kann eine Produktivitätssteigerung um den Faktor 20 beim Ausdrehen von präzisen Bohrungen erzielt werden. Die Effekte des elastisch-plastischen Materialverhaltens unter der Schneide beim Zerspanen werden ebenfalls in dieser Arbeit beschrieben. Dabei wird der elastische Anteil, die Rückfederung, näher betrachtet, zwei hierzu entwickelte Versuchsmethoden vorgestellt, sowie die Abhängigkeit der Rückfederung von den Bearbeitungsparametern, Schneidkantenradius und Werkstoffkenndaten aufgezeigt. Ebenfalls wird in dieser Arbeit ein Schnittkraftmodell basierend auf Merchant sowie erweitert durch die Effekte der Schneidkantenverrundung vorgestellt. Die Bestimmung der Schubfliessspannung erfolgt dabei für eine ideal scharfe Schneide mittels Extrapolation aus Messwerten mit unterschiedlichem Schneidkantenradius. Mit den beschriebenen Gleichungen und Koeffizienten ist neben der Schnittkraft auch eine genaue Vorhersage der Passivkraft möglich. Das aufgezeigte geometrische Rauheitsmodell wendet die Spanzipfeltheorie nach Brammertz auf Wiper-Geometrien an. In dieses Modell fliessen zum einen die empirischen Messwerte der Rückfederung und zum anderen der Einstellfehler der Wiper-Schneide ein. Die daraus folgende Gleichung zeigt die Auswirkungen dieser beiden Faktoren auf die Rauheit auf. Die aus dieser Arbeit resultierende Ergebnisse bezüglich des elastisch-plastischen Materialverhaltens und die darauf aufbauenden Modelle für Zerspanungskraft und Rauheit bei Wiper-Geometrien können auf alle Teilbereiche der Zerspanung übertragen werden.