CFK-Titan-Verbunde werkstoffgerecht bohren

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MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

Das Bohren in CFK und Metallen erfordert komplett unterschiedlich ausgestaltete Werkzeuggeometrien. Werden bei der Werkzeugauslegung Kompromisse eingegangen, zum Beispiel mithilfe von Durchschnitts- oder dazwischenliegenden Werten, sind die Ergebnisse sowohl für die Bearbeitung von Faserverbundkunststoffen als auch von CFK-Titan- und CFK-Aluminium-Verbunden ungenügend. Es empfiehlt sich, sich auf die kritischen Qualitätsstandards zu konzentrieren, die je nach Bearbeitungsprozess variieren.

Im Allgemeinen ist beim Bohren der Werkzeugeintritt in CFK und Metall unproblematisch. Beim Bohrungsaustritt kann es dagegen zu Faserüberständen im CFK oder zur Gratbildung im Metall kommen. Die ideale Bohrergeometrie ist in der Lage, sowohl Delamination und Gratbildung zu vermeiden.

Beim Bohren von CFK-Titan-Stacks ist außer der Gratbildung auch die Spanabfuhr bei der Werkzeugauslegung zu berücksichtigen. Die Späne dürfen sich beim Austritt aus der Bohrung keinesfalls an der empfindlichen CFK-Oberfläche festsetzen. Die dazu notwendige Spannut ist somit deutlich größer ausgebildet als die Spangröße, was Kratzer im Faserverbundkunststoff verhindert. Sollte sich der Span in der Nut im CFK-Bereich verklemmen, kommt es zu extremer Reibung und Erwärmung von Bauteil und Werkzeug. Tiefe Kratzer im CFK und eine erhöhte Gratbildung sind die Folge.

Bohrungseintritt erfolgt im CFK-Material

Üblicherweise erfolgt der Bohrungseintritt im CFK-Material, danach wird durch Titan gebohrt. Für diesen Fall kann die Bohrergeometrie auf die Span- und Gratbildung hin optimiert werden [9]. Mit Hochdruckkühlung und gerade genuteten Werkzeugen (siehe Bild 5) wurden die besten Ergebnisse erzielt.

Unter MMS oder gar trockener Bearbeitungen mit niedrigen Geschwindigkeiten und hohen Vorschüben, wie sie auf halbautomatischen Anlagen Standard sind, erzielen dagegen spiralgenutete Werkzeuge bessere Ergebnisse in Sachen Spanbildung und Spanabfuhr. Um eine optimierte Werkzeugstandzeit und Prozessleistung zu erreichen, sollten die Bearbeitungsbedingungen an die Anforderungen des jeweiligen Werkstückmaterials angeglichen werden. Um die Spangröße zu reduzieren, wurde die Stottervorschub-Strategie (Pecking/Hiccup) erfolgreich getestet. Mit der neuen Bohrergeometrie von Mapal ist diese Unterbrechung des Vorschubs machbar aber nicht zwingend nötig.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Standzeit und der Effizienz ist der Einsatz von PKD oder von CVD-Diamantbeschichtungen. Hierbei sollten maximale Schnittgeschwindigkeiten von 30 m/min [10] nicht überschritten werden. Andernfalls wird der Diamant mit Titan reagieren und zu TiC werden [11].

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Zerspanung

CFK-Titan-Verbunde werkstoffgerecht bohren

Bohrungseintritt erfolgt im CFK-Material