Titanzerspanung Die Abhängigkeit von Schneidstoffen und Prozesseinstellgrößen auf die Spantemperatur
Inhaltsverzeichnis
Aufgabenstellung. 3
1.Einleitung. 1
2.Stand der Technik. 2
2.1Grundeigenschaften von Titan. 2
2.2Zerspantechnik. 6
2.3Temperaturmessung bei der Zerspanung. 12
2.3.1Thermocouple. 13
2.3.2Eingeschlossenes Thermoelement13
2.3.3Zwei-Farben-Pyrometrie. 14
3.Zielsetzung. 17
4.Kalibrierung des Pyrometers18
4.1Kalibrierung des Ein-Farben-Pyrometers mit Zwei-Farben- Pyrometer18
4.2Auswertung. 21
4.3Kalibrierung des Ein-Farben-Pyrometers mit der Kamera. 25
5.Modellversuch Hobeln. 28
5.1Versuchsaufbau. 28
5.2Versuchsdurchführung. 28
5.3Parameter29
6.Auswertung. 30
6.1Messergebnisse Hartmetall30
6.2Messergebnisse Keramik. 33
6.3Messergebnisse CBN. 35
6.4Spanentstehung. 38
7.Diskussion der Auswertung. 40
8.Zusammenfassung und Ausblick. 42
9.Literaturverzeichnis43
Aufgabenstellung
Ziel
Ziel dieser Arbeit ist die Kenntnis der Spantemperatur in Abhängigkeit vom eingesetzten Schneidstoff und von den Prozesseinstellgrößen Schnittge-schwindigkeit und Vorschub bei der Zerspanung von TiAl6V4. Dafür sind ein geeigneter Analogieprozess zu entwerfen und aufzubauen, die Untersuchungen durchzuführen und die Ergebnisse kritisch zu diskutieren.
Aufgabenstellung
Zunächst ist eine Literaturrecherche zur Temperaturmessung bei der Zerspanung und zum Einfluss verschiedener Schneidstoffe (Reibungseffekte zwischen Titan und dem jeweiligen Schneidstoff) durchzuführen. Anschließend wird ein Analogieprozess auf einem Hobelversuchsstand ausgelegt. Dabei werden Fräswendeschneidplatten aus Hartmetall, polykristallinem Diamant, kubischen Bohrnitrit und Siliziumnitrid-Keramik eingesetzt, für die ein geeigneter Halter zu konstruieren ist.
Dies erfolgt ebenso wie die Auslegung geeigneter Werkstücke in enger Abstimmung mit dem Betreuer. Die Messung der Spantemperaturen erfolgt mit einer Thermographiekamera, die zuvor auf das verwendete Material zu justieren ist. Zu Beginn der Untersuchungen ist zu überprüfen, ob sich die Kamera zur Temperaturmessung bei den festgelegten Prozessen eignet. Gegebenenfalls ist eine Anpassung der Kamera, z.B. durch ein spezielles Objektiv, oder des Analogieprozesses vorzunehmen.
Neben der Thermographiemessung können ggf. weitere Messmethoden eingesetzt werden, die sich z.B. im Rahmen der Literaturrecherche als sinnvoll erwiesen haben. Schließlich sind Zerspanunguntersuchungen durchzuführen, bei denen die vier oben genannten Schneidstoffe jeweils mit drei Vorschüben und drei Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Untersuchungsgröße ist die Spantemperatur; zusätzlich werden die anfallenden Späne gesammelt.
Mit jeder Parameterkombination sollen zur statischen Absicherung wenigstens zehn Schnitte gefahren werden. Die Ergebnisse werden anschließend graphisch aufbereitet und vor dem Hintergrund aktueller wissenschaftlicher Arbeiten kritisch hintergefragt und diskutiert.
Problemstellung
Bei der Fertigung von Integralbauteilen aus Titan für die Luftfahrt werden zurzeit über 90 Prozent des Ausgangsmaterials in Späne umgewandelt. Diese sind unter anderem durch Oxidation, Kühlschmierstoffrückstände so stark verunreinigt, dass sie nur noch als Zugabe für minderwertige Werkstoffe dienen können. Die ist sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht unerwünscht.
Um einen geschlossenen Werkstoffkreislauf bei der Titanbearbeitung in der Luftfahrt zu schaffen, ist ein Ansatz, die Qualität der Späne bereits beim Fertigungsprozess zu optimieren. Ein kritischer Faktor, der die chemische Verunreinigung der Späne im Prozess definiert, ist die Temperatur des Spans bei der Zerspannung.
Richtlinien zur Durchführung
1. Die Arbeit soll in Absprache mit dem Betreuer durchgeführt werden. Sie darf ohne Genehmigung des Instituts nicht veröffentlicht oder an Dritte weitergegeben werden.
2. Soweit Maschinen und Geräte des IFW genutzt werden müssen, dürfen diese nur innerhalb der Dienstzeit oder ausnahmsweise auch darüber hinaus nach Genehmigung durch den Betreuer genutzt werden. In jedem Fall muss aber aus Sicherheitsgründen mindestens eine weitere Person in Sicht- oder Rufweite sein.
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3. Vor der Inbetriebnahme von Maschinen und Geräten ist der Sicherheitsreport zu studieren. Einen aktuelle Version befindet sich an der Maschine und beim betreuenden Mitarbeiter.
Richtliniern zur Dokumentation
1. Der Arbeit ist ein einseitiger Abstrakt voranzustellen. Er muss enthalten: Thema, Name des Studenten, Kenn-Nr. aus Aufgabenstellung, Abgabedatum, Ziele der Arbeit und im Wesentlichen die Ergebnisse der Arbeit.
2. Neben der Abgabe der Arbeit in gedruckter Form sind sowohl eine Microsoft Word- als auch eine Adobe PDF-Version abzugeben.
3. Der Student hat vor Abgabe der Arbeit alle im Rahmen der Beschäftigung entstandenen Dateien (Ergebnisse, Auswertung, Grafiken und Simulations-modelle etc.) dem Betreuer zur Verfügung zu stellen. Die Kompabilität der jeweils verwendeten Software ist mit dem Betreuer vor Beginn der Arbeit abzustimmen.
4. Nach Fertigstellung der Arbeit sind vom Studenten folgende schriftliche Angaben zu machen (falls zutreffend): a) Anzahl der für diese Arbeit vom IFW präparierten Proben (Metallograpfhie und REM). b) Anzahl der vom IFW insgesamt angefertigten Originalfotos (ohne Nachbestellungen).
Zeitrahmen
1. Literaturrecherche 40 Stunden
2. Planung und Aufbau des Analogieversuchs 100 Stunden
Bild 2: Versuchsplatz (Ausgabe der Thermographiekamera und Pyrometer) 23
Tabelle 1: Parameter 27
1. Einleitung
Titan ist ein Material, das in der Luftfahrtindustrie wegen seiner Eigenschaften wie hohe Festigkeit und Korrosionsbeständig häufig verwendet wird. Allerdings gilt die Bearbeitung von Titan als eine der anspruchsvollsten Aufgaben. Deswegen muss dessen Bearbeitung durch die Auswahl optimaler Schnittbedingungen kontrolliert werden.
Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit und hohen chemischen Reaktivität ist Titan ein unwirtschaftliches Material.
In dieser Arbeit wird die Temperatur an dem Span während der Titanzerspanung betrachtet. Das in diesem Zusammenhang verwendete Zerspanverfahren ist das Hobeln. Beim Hobeln wird ein Werkstück mit einer Werkzeugschneide in einem Schnittprozess bearbeitet. Die beim Zerspanen auftretenden Temperaturen beeinflussen den gesamten Prozess, da sie entscheidende Auswirkungen auf das Materialverhalten des Werkstoffs, den Schneidenverschleiß und die Reibungseigenschaften zwischen Werkzeug und Werkstück haben.Die wird als die größte Fehlerquelle bei der Bearbeitungsprozess betrachtet.
Die Temperatur-messung ist messtechnisch zu erfassen.
Im Rahmen dieser Arbeit wird ein spezielles Zwei-Farben-Pyrometer verwendet, mit dem die Temperaturen von Werkstück und Span berührunglos gemessen werden können. Die Temperaturen an dem Werkstück werden mit drei unterschiedlichen Schneidstoffen gemessen. Die Titanspäne werden gesammelt und wurde zwecks des Versuchs weiter bearbeitet. Abschließend werden die Verläufe der Temperaturen in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit betrachtet.
2. Stand der Technik
2.1Grundeigenschaften von Titan
Eine hohe Festigkeit bei niedrieger Dichte, extreme mechanische und thermische Belasbarkeit sowie gute Korrosions- und Erosionsbeständigkeit machen Titan zu einem Werkstoff, der vielfach im Hochtechnologiebereich (Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Extremsport) eingesetzt wird. Titan hat zwei Kristallstrukturen, die als α und β bezeichnet werden [LÜTJ07].
Alpha bezieht sich dabei auf die hexagonal dichsteste Kugelpackung (hdp) und Beta auf die kubisch-raumzentrierte Kristallstruktur (krz).
Titan ist ein allotropisches Element. Allotrop bedeutet, dass ein Element aus mehreren kristallographischen Formen besteht. Auf Raumtemperatur hat Titan hdp-Kristallstruktur (α-Phase) und bei 888 °C wird Titan in die krz-Kristalstruktur (β-Phase) umgewandelt [DONA00]. Verschiedene Arten der Ti-6Al-4V-Kristallstruktur werden in Abbildung 2.2 gezeigt.
Im Rahmen dieser Arbeit wird Ti-6Al-4V mit folgenden chemischen Komponenten verwendet: 6 % Aluminium, 4 % Vanadium, 0,25 % Eisen und 0,2 % Sauerstoff. Der Rest ist reines Titan. Die Ti-6Al-4V-Legierung ist wesentlich stärker als reines Titan, während sie die gleiche Festigkeit und die gleichen thermischen Eigenschaften aufweist.
Einer ihrer vielen Vorteile ist, dass sie wärmebehandelbar ist. Sie bietet eine ausgezeichnete Kombination von Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Schweißen und Verarbeitbarkeit. In der folgenden Abbildung werden für repräsentative Titanlegierungen schematisch einige Wirkungen auf die Struktur gezeigt.
Abbildung 2.3 : Wirkungen des Legierungselements auf die Struktur für repräsentative Legierungen [DONA00]
2.1.1 Elastizität von Titans
Der anisotrope Charakter der hexagonalen Kristallstruktur der α-Phase hat weitreichende Konsequenzen für die elastischen Eigenschaften von Titan und seinen Legierungen [LÜTJ07]. Variation des Elastizitätsmoduls (E-Modul) wird in Abbildung 2.4 bei Raumtemperatur als Funktion des Abweichungswinkels Ɣ dargestellt. Das Elastizitätmodul des kubisch-raumzentrierten reinen Titans ist nicht messbar, weil die β-Phase nicht stabil ist [DONA00].
Abbildung 2.4 : Elastizitätsmodul eines reinen α-Titankristalls als die Funktion der Abweichungswinkel Ɣ [LÜTJ07]
Aus der Abbildung wird deutlich, dass das E-Modul zwischen 145 Gpa und 100 Gpa mit einem Winkel von 0° bis 90° varriert.
Abbildung 2.5 : Elastizitätsmodul und Schubmodul als Funktion der Temperatur des Polykristalles von α-Titan [LÜTJ07]
Aus der Abbildung wird deutlich, dass das Elastizitätsmodul (E-Modul) von etwa 115 Gpa bei Raumtemperatur bis etwa 58 Gpa bei Transustemperatur sinkt, während das Schubmodul (G) von etwa 48 Gpa bis 20 Gpa über den gleichen Temperaturbereich abnimmt. Mit steigender Temperatur des E-Moduls verringert sich das Schubmodul (G) fast linear [LÜTJ07].
Abbildung 2.6 : Kraftkomponenten beim Hobeln
vC Schnittgeschwindigkeit vf Vorschubgeschwindigkeit F Zerspannkraft FC Schnittkraft Ff Vorschubkraft Fp Passivkraft
2.2.2 Beobachtung der Schnittkraft
Die Ausführungen in diesem Abschnitt stützen sich auf die Festlegungen in der DIN 6584, wobei die darin festgelegten Begriffe für alle Verfahren der spanenden Fertigung gültig sind.
Abbildung 2.7 : Zerlegung der Zerspankraft F in ihre Komponenten (nach DIN 6584)
Da in diesem Versuch kein Messwerkzeughalter zum Messen der Zerspan-kraftkomponenten verwendet wurde, wird die Schnittkraft Fc mit der Gleichung
in kW (1)
berechnet.
Dabei ist: Pc Antriebsleistung [kW] Fc Schnittkraft [N] vc Schnittgeschwindigkeit [m/s]
2.2.3 Spanbildung
Beim Spanen dringt ein Schneidkeil in einen Werkstoff ein, wodurch dieser plastisch verformt wird und als Span über die Spanfläche des Schneidkeils abgleitet. Dieser Vorgang lässt sich in der Keilmessebene, in der der Stofffluss stattfindet, darstellen (Abbildung 2.8). Lediglich an der Rändern des Spanungsquerschnittes, an der freien Oberfläche und vor der Schneidecke ist der ebene Formänderungszustand gestört.
Abbildung 2.8 : Spannungsquerschnitt und Schneidkeil
2.2.4 Spanbildungsarten
Je nach Werkstoff und Zerspanungsbedingungen lassen sich folgende vier Spanbildungsarten unterscheiden: Fließspanbildung, Lamellenspanbildung, Scher-spanbildung, Reißspanbildung (siehe Abb. 2.9).
2.2.5 Spantemperatur
Die beim Spanen aufgewendete Energie wird fast ausschließlich in Wärme umgewandelt. Die Energiemenge, die eine gewisse Verfestigung der Oberflächenschicht des Werkstücks verursacht, ist vernachlässigbar klein. Es sind prinzipiell drei Wärmeentstehungszonen zu unterscheiden: Kontaktzone, Scherzone, und Kontaktzone. (siehe Abbildung 2.10)
Abbildung 2.10 : Wärmeentstehungenszonen beim Spanen
2.2.6 Schneidstoffe für die Titanbearbeitung
Als Schneidstoff bezeichnet man den Werkstoff, aus dem der aktive Teil des Werkzeugs – der eigentliche Schneidteil – besteht. Er wird auch als Schneidewerk-stoff oder Werkzeugwerkstoff bezeichnet. Beim Einsatz der Schneidstoffe sind folgende Eigenschaften besonders zu beachten :
·Schneidfähigkeit
·Warmhärte und Wärmebeständigkeit
·Verscheißfestigkeit
·Wärmeleitfähigkeit
·Zähigkeit
·Thermoschockbeständigkeit
In der Normung nach DIN/ISO 513 werden folgende Schneidstoffgruppen, die in dieser Arbeit zugrunde gelegt werden, mit ihren Kurzzeichen unterschieden :
2.CN : vorwiegend aus Siliziumnitrid besthende Keramik ( Nitridkeramik)
3.DP : Polykristalinner Diamant (PKD)
4.BN : Polykristallines Bornitrid
Abbildung 2.11 : Eigenschaften von Titanschneidstoffen
2.3Temperaturmessung bei der Zerspanung
Die Temperaturmessung in Metallschneidverfahren hat eine sehr lange Geschichte, die in Abbildung 3.1 zusammengefasst ist [DAVI07].
Abbildung 3.1 : Historische Entwicklung von Temperaturmessungen in Metallschneidverfahren [NEDI13]
Abbildung 3.1 zeigt, dass die Anzahl der Messmethoden mit der Zeit zugenommen hat und dass die meisten Methoden, die mit einer einzigen Schneide und die Mess-einrichtung auf das befestigte Werkzeug eingeführt worden sind.Einige Verfahren, wie die Film-Thermographie, sind vollständig durch moderne Verfahren mit Festkörpersensoren ersetzt worden, während andere, wie das Thermoelement-Verfahren, fast ein Jahrhundert lang kontinuierlich angewendet wurden.
Das am frühesten übermittelte Verfahren ist das von Brenn von Graf Rumford. Er hatte eine Lauf einer Kanone gebohrt, mit der Kanone und dem Schneidwerkzeug in Wasser getaucht und betrachtet das gemessene Anstieg der Wasser Temperatur. Dies ist keine praktische Methode bei der Verwendung großer Werkzeugmaschinen. Selbst mit dem Ziel, die Wärme in den Spänen finden zu wollen, würden die Späne kühlen, bevor man in der Lage wäre, sie in einem Kalorimeter zu sammeln, um den Temperaturanstieg zu messen [SHAW84].
Abbildung 3.2 : Thermocouple
2.3.2 Eingeschlossenes Thermoelement
Bei dem „Artificial“ oder „Embedded Thermocouple“ werden besondere Materialien in der Nähe der Schnittzone eingelegt. Es wird durch ein Loch in dem Werkzeug in eine oder mehrere Stellen gleichzeitig oder indem die Spitze des Thermoelements an der äußeren Oberfläche des Werkzeugs eingesetzt. (Abbildung 3.3). Die Messgenauigkeit hängt hauptsächlich vom Abstand des Messpunktes an der Schneidzone ab.
Abbildung 3.3 : Position und zu messende Stelle für das eingeschlossene Thermoelement
2.3.3 Zwei-Farben-Pyrometrie
2.3.3.1 Theorie
Die pyrometrische Temperaturmessung basiert auf der elektromagnetischen Strahlung. Die Temperatur wird über die von der Oberflache ausgesendete elektromagnetische Strahlung bestimmt [RENZ01]. Eine Gleichung zur Beschreibung der ausgesandten Strahlungsenergie ließ sich erst mit den Gesetzen der Quantentheorie von Max Plank (1901) herleiten, der wie folgt die spektrale Strahldichte eines schwarzen Körpers beschreibt:
Dabei sind C1 und C2 die Planckschen Strahlungskonstanten, λ ist die Wellenlänge, T die Temperatur und h die Plancksche Konstante.
Die Beschreibung der spezifischen Ausstrahlung nach Wien (1896) lautet
(3)
und kann als Näherung mit einem Fehler von weniger als 1 % für die Werte von λT < 3125 µmK verwendet werden, was für die im Folgenden untersuchten Temperaturen und Wellenlängen erfüllt ist [RENZ03]. Eine Korrelation für das Maximum der spektralen Strahlungsenergie wurde von Wien (1984) hergeleitet. Das Wiensche Verschiebungsgesetz lautet
µmK.
Monochromatische Pyrometer
Mit der Gleichung (4) kann das Messsignal eines monochromatischen Pyrometers bestimmt werden zu
, (4)
wobei der spektrale Emissionsgrad des Messobjekt und K eine zusammengefasste Konstate ist, die unter anderem von geometrischen Faktoren, der Pyrometeroptik, dem Detektor und anderen pyrometerspezifischen Parametern abhängt [RENZ03]. Gleichung (4) gilt nur für ein ideal monochromatisches Pyrometer. Das Signal eines realen Pyrometers, dem sogenannten Teilstrahlungspyrometer, wird immer von einem Wellenlängenband ∆λ hervorgerufen, über das Gleichung (4) integriert werden müsste, um das Messsignal zu bestimmen [RENZ01].
Hieraus resultiert eine Gleichung für die gemessene Temperatur, die spektrale Strahlungstemperatur Tr genannt wird, als Funktion der wahren Temperatur der Kalibriereroberfläche T und ihres Emissionsgrads :
(5)
Zwei-Farben-Pyrometer
Bei einem Zwei-Farben-Pyrometer, auch als Verhältnisstrahlpyrometer bezeichnet, wird die Temperatur aus dem Verhätnis zweier, bei unterschiedlichen Wellenlängen gemessenen Signalen bestimmt. Entsprechend Gleichung (5) können die beiden Messsignale wie folgt angegeben werden:
und (6)
. (7)
Durch Bildung des Verhätnisses der beiden Signale R / kann die folgende Gleichung für die mit einem Zwei-Farben-Pyrometer gemessenen Temperatur hergeleitet werden:
. (8)
Mit dieser Gleichung kann unter der Annahme gleicher Emissionsgrade = die sogenannte scheinbare Verhältnistemperatur TR bestimmt werden, ohne dass eine Kalibrierung des Pyrometers durchgeführt werden muss. Der aus dieser Annahme resultierende Fehler lässt sich folgender maßen berechnen:
. (9)
Eine Relation zwischen einer gemessenen scheinbaren Verhältnistemperatur TR und einer wahren Temperatur einer Oberfläche T als Funktion des Emissionsgradverhältnisses / kann hergeleitet werden, indem das Verhältnis R, bestimmt aus den Gleichungen 6 und 7, gleichgesetzt wird mit dem Verhältnis einer grauen Oberfläche mit = und der Temperatur TR.
Hierzu soll ein geeigneter Halter zuerst konstruieren, geeignete Kamera und Pyrometer finden und kalibrieren und schließlich geeignete Analogieprozesse entwerfen und aufbauen, die Untersuchungen durchzuführen und die Ergebnisse kritisch zu diskutieren.
4. Kalibrierung des Pyrometers
In folgenden Abschnitt wird eine Kalibrierung des Ein-Farben-Pyrometer mit Thermographiekamera und Zwei-Farben-Pyrometer gemacht. Es wird später beim Hobelnversuch verwenden.
4.1Kalibrierung des Ein-Farben-Pyrometers mit Zwei-Farben- Pyrometer
4.1.1Versuchsaufbau
Titan
Für die Kalibrierung des Pyrometers, dessen Temperatur zwischen 350 °C und 800 °C eingestellt werden kann, werden drei Titanwerkstücke verwendet. Die Titanwerstücke werden mit der beide Pyrometern gemessen. Zur Erhöhung der Temperatur der Werkstücke wird ein Brennofen benutzt.
4.1.2Versuchdurchführung
Die Temperatur des Ein-Farben-Pyrometers wird mit einem Laptop durch eine Software von Lumasense, und zwar Infrawin 5.0.1, gelesen. Dort können auch Parameter des Pyrometers, z.B. Emissionsgrad des Materials, Einstellzeit, Einheit, Löschzeit usw. eingestellt werden. die Ausgabeliste und die Ausgabegrafik können als Pdf- oder JPEG Datei angenommen werden.
Die Versuche bestehen aus eine Stunde. Die Erwärmung dauert 30 Minuten bis 800 °C. Um die exakte Temperatur zu messen, wird die Laserstrahlung auf dem gleichen Punkt gezeigt. Anschließend wird das Werkstück herausgenommen und gleich mit den beiden Pyrometern gemessen. Dies wird mittels eines Videos, in dem beide Temperaturen gezeigt werden müssen, festgehalten. Die Temperaturdifferenz der beiden Pyrometer von jedem Versuch wird in der folgenden Abbildung gezeigt.
4.2Auswertung
Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die Temperatur des Zwei-Farben-Pyrometers instabiler ist als die des Ein-Farben-Pyrometers. Hierfür können zwei Aspekte angeführt werden, und zwar die Lichtempfindlichkeit und die Genauigkeit des Pyrometers. Die Versuche werden zu verschiedenen Zeiten gemessen. Die Lichteingabe (in diesem Fall je Stunde) ist dabei nicht gleich.
Die Genauigkeit des Ein-Farben-Pyrometer ist mittels eines Laptops mit ± 0,1 °C gelesen worden, während sie bei dem Zwei-Farben-Pyrometer nur bei 1 °C lag.
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