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Experimentelle Analyse der duktilen Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide in gesinterter technischer Keramik

Groeb, Marvin (2022):
Experimentelle Analyse der duktilen Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide in gesinterter technischer Keramik. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00022139,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Experimentelle Analyse der duktilen Zerspanung mit geometrisch bestimmter Schneide in gesinterter technischer Keramik
Language: German
Abstract:

Die Materialwissenschaft und neue Materialien erweisen sich als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Viele Prozesse, aber auch Produkte lassen sich effizienter und damit ressourcenschonender auslegen, wenn die verwendeten Materialien sich durch hohe thermische, chemische und mechanische Belastbarkeit auszeichnen. Traditionelle Materialien kommen hier an ihre Leistungsgrenze. Die technischen Keramiken wie Zirkoniumdioxid, Siliziumkarbid, Aluminiumoxid aber auch Siliziumnitrid zeichnen sich durch hohe Härte, große E-Moduln, hervorragende Temperaturstabilität und Chemikalienbeständigkeit aus. Diese Eigenschaften entstehen durch die kurzen sp3-sp3 Bindungen und die damit einhergehenden starken kovalenten und ionischen Bindungen. Sie sind deshalb prädestiniert, Bauteile in z.B. Turbinen, Präzisionsmaschinen und der Medizinalbranche zu übernehmen. Die Bearbeitung dieser Werkstoffe, gerade durch spanabtragende Verfahren, ist jedoch zu einem großen Teil für die entstehenden Produktionskosten verantwortlich. Eine mögliche Verbesserung der Qualitätsparameter wie Ausbrüche, Oberflächennahe Schädigungen und Rauheiten lässt sich über einen duktilen Schnittmodus erreichen. Der duktile Schnittmodus ist seit längerer Zeit im Fokus intensiver Forschung, wurde bisher aber lediglich beim Diamantdrehen nachgewiesen. Grundsätzlich führt ein duktiler Schnittmodus zu erhöhtem Materialabtrag, besseren Oberflächen, geringeren Ausbrüchen durch reduzierte Schnittkraft und einen geringeren Werkzeugverschleiß. In dieser Arbeit wurden verschiedene Fräsexperimente, angelehnt an die Fräsarten nach DIN 8589 durchgeführt, mit dem Ziel die Randbedingungen, die zu einem duktilen Schnittmodus führen experimentell zu bestimmen. Die initialen Versuche finden durch das Planfräsen mit polykristallinen Diamantwerkzeugen in Siliziumkarbid statt. Hierbei wurden Parameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und die mittlere Spanungsdicke untersucht. Die erzeugten Oberflächen wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie, sowie optisch mittels Konfokaler Laser Mikroskopie auf ihre morphologische Erscheinung, aber auch die Oberflächenparameter wie Rauheit und Materialanteil analysiert. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden im Anschluss auf das Umfangsfräsen übertragen. Hier wurden mithilfe von ANOVA Analysen die beeinflussenden Parameter identifiziert. Um den Einfluss der Bearbeitung auf das Material zu charakterisieren, wurde an den hergestellten Proben Raman Laser Spektroskopie, Röntgenbeugung mit niedrigen Einfallswinkel und Scanning Acoustic Microscopy durchgeführt. Hierbei wurde der Vergleich zwischen gewöhnlicher Bearbeitung (Schleifen, spröder Materialabtrag) und dem duktilen Schnittmodus durchgeführt. Im Anschluss wurden verschiedene Fräsexperimente in monokristallinen Silizium durchgeführt, da hier eine trockene Bearbeitung das Auffangen von Spänen ermöglicht, und die Einflüsse von Parametern wie Spandicke oder Fräsrichtung durch das homogene Material besser identifiziert werden können. Abschließend wurde die gefundene Systematik auf eine weitere technische Keramik (Zirkoniumdioxid) übertragen, und Experimente zum Plan- und Umfangsfräsen durchgeführt. In allen 3 Materialien konnte ein duktiler Schnittmodus erreicht werden. Dieser wird hauptsächlich durch die mittlere Spanungsdicke beeinflusst, und tritt je nach Material zwischen 40 und 80 nm auf. Mit höheren Schnittgeschwindigkeiten und größeren Querzustellungen kann diese kritische Spanungsdicke erhöht werden. Materialanalysen haben gezeigt, dass der duktile Schnittmodus zu keiner Amorphisierung, Struktur- oder Zusammensetzungsänderung, aber auch geringerer Schädigung des Materials im Vergleich zu schleifender oder spröder Bearbeitung führt.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Material science and new materials are proving to be the key technologies of the 21st century. Many processes can be conducted more efficiently and therefore save resources if the materials used are characterized by high thermal, chemical and mechanical strengths. Traditional materials often reach their limit here. Technical ceramics such as zirconium dioxide, silicon carbide, aluminium oxide but and silicon nitride are characterized by high hardness, large Young’s modulus, high thermal stability and inertness to chemical exposure. These characteristics stem from a short sp3-sp3 bond length between the atoms. They are therefore a favourable choice in parts such as turbines, precision machinery components and medical implants. The manufacturing of these materials, especially the mechanical finishing through subtractive processes is responsible for a large part of the finished products cost. A possible improvement of the quality parameters such as breakouts, sub surface damages and roughness could be achieved through a ductile cutting regime. This ductile cutting mode has been the focus of research for some time; until now it has only been achieved in grinding and diamond turning. Generally, a ductile cutting regime leads towards higher material removal, better surface quality, lower breakouts and reduced tool wear. In this thesis, a plethora of different milling experiments, adapted from the different milling classifications in the DIN 8589 were conducted in order to find the limitations of a ductile cutting regime through experimental investigation. The initial trials consisted of face milling trials in silicon carbide with polycrystalline diamond tools. Parameters such as cutting speed, feedrate and median chip thickness were investigated. The finished surfaces were analysed via scanning electron microscopy, as well as optically via confocal laser scanning microscopy for their morphological appearance and the areal surface parameters such as roughness and material ratio. Afterwards, the results were adapted towards side milling. Here, ANOVA analysis was used to identify the influencing parameters. To characterize the influence of the mechanical process on the material, Raman laser spectroscopy, GI-XRD and scanning acoustic microscopy were performed, highlighting the difference between brittle material removal (milling, grinding) and a ductile material removal. These experiments were followed by milling experiments in monocrystalline silicon, which while also a hard and brittle material, could be processed dry. This enables the recovery of produced chips, and due to the uniform appearance allows for a better identification of critical limits such as median chip thickness and the influence of milling directions onto the surface composition. The milling experiments were concluded by transferring the found systematics onto a second technical ceramic, zirconium dioxide, where face- and sidemilling experiments were conducted. In all 3 materials, a ductile cutting regime was achieved. The main influence is the median chip thickness, which starts, depending on the material between 40 and 80 nm. With higher cutting speeds and higher radial engagements, the critical chip thickness can be raised. Material analysis have shown that the ductile cutting regime does not lead towards amorphization, structural or compositional changes. Furthermore, lower sub-surface damage compared to brittle material removal mode has been detected.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xxvi, 128 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Material Analytics
Date Deposited: 01 Sep 2022 12:05
Last Modified: 02 Sep 2022 06:45
DOI: 10.26083/tuprints-00022139
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-221396
Referees: Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang ; Durst, Prof. Dr. Karsten
Date of oral examination: 22 July 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22139
PPN: 498819744
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