Technologie

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Center of Smart Interfaces
Verbesserte Wärmeleitung in der HSC-Zerspanung - „Bearbeitung von
Gusseisen mit PKD unter dem Einfluss innovativer Kühlverfahren“
Enhanced heat conduction in high speed cutting
“Using PCD for high speed cutting of cast iron materials with innovative cooling systems”
Motivation und Ziel
*)
Motivation and goal
Eine signifikante Reduzierung der Temperatur in der
Spanbildungszone in Verbindung mit einer sauerstoffarmen
Atmosphäre ermöglicht es jedoch eisenhaltige Materialien mit
Diamandschneidstoffen zu zerspanen. Ziel dieses Forschungsprojekts ist die Untersuchung der vorherrschenden
Zerspantemperaturen bei der HSC-Bearbeitung von Gusseisenwerkstoffen mit polykristallinen Diamandschneidstoffen.
The high affinity of carbon to iron and other metals is the
main reason for the poor machinability of cast iron materials
with diamond tools. Elevated temperatures in the cutting zone
lead to a retroactive change of the diamond structure into a
graphite structure. Due to these structural changes the
material properties hardness and wear resistance of the
PCD cutting tool materials clearly decrease. Therefore tool
life time of the diamond cutting tool decreases significantly.
This process is known as a catalytic graphitisation.
CI
CGI
SGI
tensile strength [MPa]
250
450
750
elastic modulus [GPa]
105
145
160
endurance strength [MPa]
110
200
250
thermal conductivity [W/m²K]
[W*m-2K-1]
47
37
28
damping
+
0
-
production costs
+
0
0
machinability
+
-
0-
Eigenschaften verschiedener Gusseisenwerkstoffe
Werkzeughalter
Tool holder
Properties of different cast iron materials
Properties of different
diamond tools
density [g*cm
[g/cm2-3]]
hardness [GPa]
breaking toughness [MPa*m
[MPa m -2½]]
elastic modulus [GPa]
bending strength [GPa]
compressive strength [GPa]
CVD
Diamond
3,52
3.52
85 – 100
5,5
5.5
1000 – 1100
1,3
1.3
9,0
9.0
monocrystalline
Diamond
3,52
3.52
50 - 100
3,4
3.4
1000 – 1100
2,9
2.9
9,0
9.0
PCD
4.12
4,12
50
8,81
8.81
776
1,2
1.2
7,60
7.60
Thermographieaufnahme während der Zerspanung
von GJV-450
Thermography snapshot during machining of CGI-450
380
CO2
Druckluft
360
Eigenschaften verschiedener Diamantsorten
Properties of different diamond tools
Vorgehensweise
The focus will be on optimising the design of the cutting material
surface to improve the heat transport out of the cutting zone. A
pyramidal structure (Figure 1) increases the heat transport due to its
enlarged surface. Therefore a reduction of the cutting temperature
and a tool life time extension of the cutting material is assumed.
In Abhängigkeit der thermodynamischen Kennwerte des
Werkstoffs, des Kühlschmiermittels und des Schneidstoffs
(vor allem der Wärmeleitfähigkeit) soll eine Prognose der
Zerspantemperatur in der Spanbildungszone erfolgen.
Hierbei wird zunächst der Stand der Technik bei der
Gusseisenbearbeitung mit PKD-Schneidstoffen untersucht.
Auf den Ergebnissen aufbauend wird eine sukzessive
Optimierung der Geometrie des Schneidstoffs durchgeführt.
Ihr Ansprechpartner:
200 -
-
Im Fokus dieses Projekts steht die optimale Gestaltung der
Schneidstoffoberfläche zur Verbesserung des Wärmetransports.
Eine pyramidale Struktur vergrößert die zur Wärmeübertragung
verfügbare Oberfläche. Eine Senkung der Temperatur in der
Spanbildungszone und eine entsprechende Standzeiterhöhung des
Schneidstoffs wird erwartet.
Depending on the thermodynamic properties of the machined
material, the coolant medium and the cutting material
(especially the thermal conductivity) analysis of the cutting
temperature in the cutting zone during machining cast iron
with PCD-Tools will be carried out. In a first step the cutting
temperature of state of the art PCD tools for cast iron
machining has to be investigated. Based on these results, a
gradually optimising process of the micro geometry of the
cutting material surface will be carried out.
Span
Chip
*) Source: Sintercast
A significant reduction of the temperature in the cutting zone
combined with a low oxygen atmosphere allows a high
possibility in machining cast iron and steel with diamond
based tools. The goal of this project is the determination of
the predominant cutting temperatures in high speed
machining of cast iron materials with polycrystalline diamond
tools (PCD).
Approach
Schneidkante
Cutting edge
T [°C]
400 -
Temperatur T [°C]
Die hohe Affinität von Kohlenstoff zu eisenhaltigen
Materialien ist der Hauptgrund für die schlechte Bearbeitbarkeit von Gusseisenwerkstoffen mit Diamandschneidstoffen.
Die hohen Temperaturen in der Spanbildungszone führen zu
einer Umwandlung der Gitterstruktur des Diamanten. Dieser
als katalytische Graphitisierung bekannte Vorgang verringert
die Härte und der Verschleißwiderstand des Schneidstoffs
deutlich. Die Standzeiten verringern sich entsprechend.
Spanfläche
Rake face
Aussenlängsdrehen
340
Werkstoff: GJV 450
Schneidstoff: PKD
Prozessparameter:
f = 0,3 mm
ap = 0,15 mm
320
300
190
210
230
250
Schnittgeschwindigkeit vc [m/min]
Schneidentemperatur in Abhängigkeit von vc und des
Kühlmediums (CO2 – Druckluft) bei aufgelöteten PKD
Schneidecken
Tool temperature over vc and cooling system (CO2 –
compressed air) for brazed PCD cutting edges)
380
Fullface
Ecke
Temperatur T [°C]
360
Aussenlängsdrehen
340
Werkstoff: GJV 450
Schneidstoff: PKD
Prozessparameter:
f = 0,3 mm
ap = 0,15 mm
320
300
190
210
230
250
Schnittgeschwindigkeit vc [m/min]
Schneidentemperatur in Abhängigkeit von vc und der
Schneidstoffausführung („Fullface“ PKD – aufgelötete PKD
Schneidecke)
Pyramidale Gestaltung der Schneidstoffoberfläche
Pyramidal tool surface designing
Tool temperature over vc and tool concept („Fullface“ PCD –
brazed PCD cutting edge)
Gefördert durch:
Dipl.-Ing. Patrick Pfeiffer
Tel. 06151/16 - 6624
[email protected]
Technologie
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