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Main Title: Herstellung und Einsatz CVD-diamantbeschichteter Bohrgewindefräser
Translated Title: Manufacturing and application of CVD diamond coated thread milling drills
Author(s): König, Jens
Advisor(s): Uhlmann, Eckart
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Mit der Anwendung von Nichteisenmetallen als Leichtbaulösung im Automobilbau seit den 1970-er Jahren nimmt der Einsatz von Diamant als Schneidstoff zu. Verstärkte Leichtmetalle können nur mit Diamant-Werkzeugen produktiv zerspant werden. Die industriell am meisten verwendete Diamant-Schneidstoffmodifikation ist der Polykristalline Diamant (PKD). CVD-Diamant (Chemical Vapour Deposition, Chemische Gasphasenabscheidung) besitzt aufgrund größerer Härte und geringerer Adhäsionsneigung als PKD bei bestimmten Anwendungen eine höhere Verschleißfestigkeit in der Zerspanung. Werkzeuge mit einem Schneideinsatz aus CVD-Diamant besitzen ein ähnliches Einsatzprofil wie PKD. CVD-Diamantdünnschichtwerkzeuge, auch als diamantbeschichtete Werkzeuge bezeichnet, dehnen das Einsatzgebiet von Diamant aus. Es können so komplexe Werkzeuggeometrien mit dem härtesten Schneidstoff kostengünstig verknüpft werden. Das Kombinationswerkzeug Bohrgewindefräser, teilweise als Gewindefräsbohrer bezeichnet, wird vor allem zur Fertigung kleiner und mittlerer Serien von gleichen Gewinden verwendet, wenn eine Parallelfertigung von Kernlochbohrung, Fasen-Senkung und Gewindefertigung nicht wirtschaftlich ist. Es existiert eine Vielzahl marktfähiger diamantbeschichteter Zerspanwerkzeuge, welche beispielsweise als Wendeschneidplatten ausgeführt sind. Dennoch ist die Anwendung dieses Verbund-Schneidstoffs noch limitiert. Dies liegt teilweise am geringen Verschleißvolumen und spezifischen Verschleißverhalten. Der entscheidende Grund ist jedoch der die Schneidstoffeigenschaften stark beeinflussende Prozess der Vorbehandlung und Beschichtung des Werkzeugs. Komplexe Zerspanwerkzeuge wie Bohrgewindefräser weisen aufgrund ihrer Geometrie Kerben auf, durch welche die Gefahr eines Überlastungsbruchs steigt. Dabei bewirken hauptsächlich die Korngröße des Wolframcarbids und der Cobaltanteil des Hartmetall-Verbunds eine Steigerung des Festigkeits- und Zähigkeitsverhaltens. Die Notwendigkeit einer hohen Bruchfestigkeit bei Schaftwerkzeugen ergibt sich durch ihre mehrachsige komplexe Beanspruchung und insbesondere durch die starke Torsionsbeanspruchung und/oder Biegewechselbeanspruchung während des Spanens. Durch die beschichtungsvorbereitende Behandlung des Substrats und die Diamantbeschichtung werden die mechanischen Eigenschaften des Werkzeugs beeinflusst. Am Beispiel des Bohrgewindefräsers erfolgt die Analyse der Bedingungen einer schädigungsarmen Diamantbeschichtung von Schaftwerkzeugen mit komplexen Geometrien. Es kommen zunächst mit Barriereschichten aus Siliciumcarbid versehene CVD-diamantbeschichtete Werkzeuge im Vergleich zu kommerziell CVD-diamantbeschichteten Schaftwerkzeugen zum Einsatz. Darüber hinaus werden in dieser Untersuchungsreihe Bohrgewindefräser zur Fertigung zweier unterschiedlicher Gewindedurchmesser eingesetzt, um den Einfluss des Werkzeugdurchmessers auf die Werkzeugfestigkeit darzustellen. In einer zweiten Untersuchungsreihe erfolgt die Analyse der Fertigungskette von CVD-diamantbeschichteten Bohrgewindefräsern. Dabei wird der Zustand unterschiedlicher Hartmetallsubstrate nach dem jeweiligen Herstellungsschritt untersucht. Neben Schneidstoffanalysen sind Modell-Verschleißuntersuchungen Mittel der Untersuchung. Zudem wird die Auswirkung der Oberflächenrauheit des Substrats auf die Eigenschaften des Schneidstoffs untersucht. Nach der Auswahl eines geeigneten Substrat-Schicht-Verbundes werden unbeschichtete und diamantbeschichtete Bohrgewindefräser mit unterschiedlichen Hartmetallsubstraten zur Zerspanung an der Referenzlegierung AlSi17Cu4Mg eingesetzt. Aufbauend auf den Erkenntnissen der Herstellung und Anwendung hochkomplexer Werkzeuge, die zur Zerspanung von Leichtmetalllegierungen eine Verschleißschutzschicht aus Diamant besitzen, soll deren Einsatzbereich erweitert werden. Das Kombinationswerkzeug Bohrgewindefräser eignet sich hervorragend als Beispiel für diese Werkzeugklasse. Da auch in Zukunft eine Zunahme der Anwendung von Kombinationswerkzeugen zu erwarten ist, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Beitrag zur Produktivitätssteigerung mittels einer optimierten Fertigungskette von CVD-diamantbeschichteten Schaftwerkzeugen geleistet. Diese Werkzeuge besitzen das Potential, bei der Zerspanung von Leichtmetallen Fertigungsqualität und -zeit zu verbessern.
The manufacturing of chemical vapour deposition (CVD) diamond coated shaft type cutting tools is demanding due to the complex design of the cutting edges and the cobalt content of the cemented carbide. The influencing parameters of substrate, pre-treatment and diamond film on the tool cutting performance are discussed. The optimised manufacturing route of CVD diamond coated thread milling drills is identified with the use of material and tribological tests. Following the optimised production of the tools, the thread milling drills are then applied in the machining of AlSi17Cu4Mg, whereby the tool performance is characterised with respect to their wear behaviour, the process forces and temperatures as well as the workpiece quality. CVD diamond thin films offer an approach to combine diamond hardness and wear resistance with arbitrary tool geometry. State of the art in diamond tooling is the generation of diamond thin film systems on cemented carbide distinguished by crystallite size for indexable inserts and shaft tools. Cemented carbide grades feasible for CVD diamond deposition are limited to a cobalt content of 10 wt.-%. The manufacturing chain of CVD diamond coated cemented carbide tools commences with the identification of a suitable substrate as well as the substrate pre-treatment to remove cobalt from the surface layer and to structure the tungsten carbide with undercuts. This is necessary to prevent a catalytic reaction of cobalt with diamond and to provide a mechanical bond between substrate and diamond film. These manufacturing steps are followed by cleaning and diamond seeding measures before CVD diamond deposition is carried out. The current state of research of diamond thin film technology on cutting tool substrates comprises diamond film deposition adapted substrate development and treatment, CVD diamond film post-treatment and increased diamond film adhesion by analysing strength and residual stress behaviour. Fine grain cemented carbides and partly silicon based ceramics are mainly employed as tool substrates. The residual stress profile of the diamond film and substrate interface depends on substrate type and pre-treatment as well as CVD conditions and CVD diamond film properties.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22274
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2453
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2156
Exam Date: 6-Mar-2009
Issue Date: 27-May-2009
Date Available: 27-May-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Diamantbeschichtung
Fertigung
Gewinde
Werkzeug
Zerspanung
Cutting
Diamond Coating
Manufacturing
Thread
Tool
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