Angepasste Zerspanprozesse für bleifreie Kupferwerkstoffe

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Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Hohe Adhäsionsneigung und starke Werkstoffaufschmierungen am Werkzeug

Die bleifreien Messinglegierungen hingegen verursachten nur einen geringfügig stärkeren Freiflächenverschleiß. Dies galt auch für die siliziumhaltigen Sondermessinge, obwohl durch die Zugabe des Siliziums die Festigkeit des Werkstoffs erhöht wird und zudem die siliziumhaltigen κ-Phasen im Gefüge in der Regel stark abrasiv wirken.

Bei den bleifreien Messingen und auch bei vielen anderen bleifreien Kupferwerkstoffen wie CuCr1Zr oder CuAl10Ni5Fe4 wurden allerdings eine sehr hohe Adhäsionsneigung und starke Werkstoffaufschmierungen am Werkzeug beobachtet, die die Oberflächenqualität der Bauteile zum Teil erheblich reduzierten. Darüber hinaus wurden bei der Bearbeitung der bleifreien Kupferwerkstoffe vermehrt Schichtabplatzungen sowie die Ausbildung von Verschleißkerben beobachtet.

Aufbauend auf den Erkenntnissen aus den vergleichenden Zerspanbarkeitsuntersuchungen werden am WZL der RWTH Aachen derzeit Ansätze für eine Hochleistungszerspanung bleifreier Kupferwerkstoffe entwickelt. Dies erfordert eine optimale Abstimmung von Schneidstoffsubstrat, Werkzeuggeometrie, Schichtsystem, Werkzeugkonzept, Kühlschmierstoffstrategie, Bearbeitungsstrategie und Prozessparameter. Ziel ist eine signifikante Steigerung der Produktivität und Prozesssicherheit und dadurch eine erhebliche Reduzierung der Fertigungskosten.

Ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Optimierung des Spanbruchs und zur Steigerung des Zeitspanvolumens sind an die Bearbeitungsaufgabe angepasste Schneidstoffe und Beschichtungen sowie optimierte Werkzeugmakro- und -mikrogeometrien. Alternativ zu einer PVD-TiAlN-Beschichtung führte der Einsatz einer CVD-TiCN-Al2O3-TiN-Beschichtung zu einer enormen Verschleißreduzierung bei der Bearbeitung von Cu-ETP und CuSn8P. Darüber hinaus wirkten PVD-TiB2-Beschichtungen effektiv der starken Adhäsionsneigung und Werkstoffaufschmierung entgegen.

Veränderte Werkzeuggeometrien ermöglichen kontrollierten Spanbruch

Durch veränderte Werkzeuggeometrien konnte für viele bleifreie Kupferlegierungen ein kontrollierter Spanbruch erzielt werden, jedoch in der Regel nicht für Vorschübe kleiner als 0,05 mm. Geringe Vorschübe und Schnitttiefen sind jedoch bei der Bearbeitung kleiner Bauteile, wie sie insbesondere in der Elektro- und Elektronikindustrie zu finden sind, erforderlich. Dort zeigte der Einsatz eines Aggregats zur zielgerichteten Zuführung des Kühlschmierstoffs (KSS) mit erhöhtem Druck und Volumenstrom auf die Spanfläche des Werkzeugs ein hohes Leistungspotenzial.

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