Die Anwendung des Drehfräsens zur Erzeugung von funktionalen Oberflächen

Abstract

In technischen Systemen werden funktionale Oberflächenstrukturen eingesetzt, um steigende Bauteilanforderungen und -eigenschaften zu erfüllen. Die Spezifikationen der Oberflächen schränken dabei die Auswahl der Fertigungsverfahren deutlich ein. Das hierbei dominierende Fertigungsverfahren für die Oberflächenendbearbeitung ist auch heute noch das Schleifen. Im Hinblick auf die Strukturierung von tribologisch vorteilhaften Oberflächen bietet sich mit dem Drehfräsen ein alternatives Endbearbeitungsverfahren mit definierter Schneide an. Im Vergleich zum Schleifen generiert die definierte Schneide gezielt strukturierte Oberflächen, welche über die Wahl geeigneter Bearbeitungsparameter beeinflussbar sind. Der Einsatz einer geometrisch definierten Schneide sichert somit eine große Freiheit in der Oberflächengestaltung. Die vorliegende Arbeit belegt das Potential des Drehfräsens unter diesem Aspekt eines sehr geeigneten Fertigungsverfahrens für die Erzeugung von funktionalen Oberflächenstrukturen. Unter weiterer Betrachtung von wirtschaftlichen und kinematischen Komponenten stellt das Drehfräsen eine sehr interessante Alternative, insbesondere zum Schleifen, dar. Um das Drehfräsen vollumfänglich für den Einsatz in der technologischen Praxis zur Herstellung definierter Oberflächen vorzubereiten, bedarf es einer systematischen und grundlegenden wissenschaftlichen Untersuchung der einzelnen Verfahrensarten des Drehfräsens sowie den spezifischen spanungstechnischen Gegebenheiten und des Belastungsverhaltens. Bis heute fehlt eine umfassende Beschreibung der vorliegenden geometrischen Spanungsverhältnisse und deren Einflüsse auf die Ausbildung strukturierter Oberflächen sowie der Wirkungen der Kraftkomponenten auf das Bearbeitungsergebnis. Innerhalb der Arbeit werden diese Schwerpunkte ausführlich betrachtet. Die dabei erstellten Modelle bilden die Basis für die Versuchsplanung und die durchgeführten Versuchsreihen zur Beschreibung des Werkzeugverschleißverhaltens und die realisierbare Oberflächenstrukturierung. Über die Variation der Werkzeuggeometrie und der Schnittparameter konnte der Prozess des Drehfräsens einer tiefergehenden Betrachtung unterzogen werden. Als praxisrelevante Beispiele für eine erforderliche Oberflächenendbearbeitung wurden konkrete Anwendungen aus der Wälzlager- und Medizintechnik herangezogen. Den Abschluss der Arbeit bildet die Formulierung von zwei Simulationsansätzen zur Beschreibung des Drehfräsverfahrens. Die Nutzung dieser Simulationen liefert im Ergebnis die Abbildung der zu erwartenden Oberflächenstrukturen. Somit kann eine Aussage zur Oberflächenstrukturierung in Abhängigkeit von den Bearbeitungsparametern bereits vor der Bearbeitung erfolgen. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag, das Drehfräsen als ein alternatives und effizientes Verfahren zur Oberflächenendbearbeitung mit gezielter Oberflächenstrukturierung zu etablieren.

Functional surface structures are applied in technical components that meet specific requirements for implementing the properties of the system. The specifications of the surfaces are demanding specific manufacturing methods. These manufacturing processes for tribological surfaces are currently dominated by grinding. With regard to the structuring of these surfaces, turn-milling represents an efficient alternative. Compared to grinding the cutting edge is able to produce a repeatable surface structure. The surface pattern itself is variable due to the cutting parameters of the process. Therefore, a defined cutting edge enables a high flexibility to produce structured surfaces. The present work demonstrates the potential of turn-milling. In terms of the economic and kinematic components, turn-milling is an alternative to other methods. In order to use the turn-milling technology entirely for defined surface finishing, the process was fundamentally investigated. Since a complementation of all types of turnmilling methods with respect to the chip geometry and its force models is missing, this aspect was examined too. These models form the basis for the experimental series with regard to tool wear development and surface structuring. By varying the setting parameters, such as tool geometry and cutting parameters, the process of turn-milling could be illustrated. With regard to the need for surface finishing, industrial applications were examined by means of roller bearing and medical technology. Furthermore, two simulation approaches were developed to describe the turn-milling process. With these, it is possible to model surface structures in advance. The thesis contributes to the attention of turn-milling as an alternative and energyefficient process for surface finishing.