Elektronenstrahl verringert Prozesskräfte beim Zerspanen

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Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

TU Braunschweig Institut für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik

Ein weiterer Nachteil des Lasers ist die Handhabung in Bezug auf eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück. Der Laser muss immer möglichst senkrecht auf der Werkstückoberfläche einkoppeln. Der Einsatz eines Elektronenstrahls bietet aufgrund der höheren darstellbaren Bewegungs-/Ablenkgeschwindigkeiten die Möglichkeit, einen Prozess seriell mit hoher Geschwindigkeit an unterschiedlichen Orten zu beeinflussen oder auch den Strahl an mehreren Prozessorten gleichzeitig einwirken zu lassen (Mehrstrahltechnik).

In gemeinsamen Forschungsaktivitäten wurden Mikrozerspanungsverfahren untersucht, die durch einen zusätzlichen Wärmeeintrag die Prozesskräfte und Baugröße einer Werkzeugmaschine verringern sollen. In diesem Ansatz wird nicht auf einen Laserstrahl gesetzt, sondern auf einen Elektronenstrahl.

Elektronenstrahl statt Laserstrahl als Wärmequelle beim Zerspanen geeignet

Erste Versuche zeigen die prinzipielle Eignung eines Elektronenstrahls als Wärmequelle für die (Mikro-)Warmzerspanung. Die Versuche wurden im Rahmen einer Machbarkeitsstudie in einer makroskopischen Elektronenstrahlanlage durchgeführt, weil der Bauraum in einer Elektronenstrahl-Mikroschweißanlage für die Zerspanversuche nicht ausreichte [4 bis 7]. Deshalb konnte sowohl der Strahldurchmesser als auch die Strahlleistung nicht in den erforderlichen Dimensionen eingestellt werden.

Zu Beginn der Versuche wurde die Funktionalität des Versuchsaufbaus innerhalb der Elektronenstrahlkammer überprüft (Bild 1 – siehe Bildergalerie). Der Werkzeugträger ist über eine Klemmvorrichtung eingespannt. Der Werkstückträger ist auf einem Nutentisch (Y-Achse) eingespannt.

Nach Ermittlung des Kontaktpunktes zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgte die Zustellung von 150 µm über einen Präzisions-Scherenhubtisch und wurde mit einer Messuhr kontrolliert. Die Vorschubgeschwindigkeit für den Stichversuch betrug v_f= 4 m/min, der Verfahrweg 30 mm. Auf dem erfolgreich getesteten Versuchsstand wurde ein Span erzeugt. Anschließend wurde ein Werkstück aus der Titanlegierung Ti6242 bei identischen Versuchsparametern hinsichtlich der Spanbildung untersucht.

Parameter des Elektronenstrahls lassen sich ausreichend variieren

Die Warmzerspanungsversuche wurden jeweils mit Hartmetall-Wendeschneidplatten an den Legierungen Ti6242 und In718 durchgeführt. Erste Versuche zeigten bei etwa 60 W die erfolgreiche Ausbildung eines Spans unter Wärmeeinwirkung durch einen Elektronenstrahl. Bild 2 zeigt sehr deutlich den Einfluss der Wärmeeinkopplung des Elektronenstrahls auf der Werkstückoberfläche.

Die unterschiedlich hohen Wärmeeinwirkleistungen belegen, dass der Elektronenstrahl durch geeignete Parametervariation sowohl für Schweißprozesse als auch für geringe Werkstückerwärmungen nutzbar ist. Durch weitere, geeignete Anpassung der Strahlleistung ist zu erwarten, dass eine Elektronenstrahlunterstützung nicht zu Beschädigungen der Werkstückoberfläche führt.

In einem ersten Versuch wurde das Werkstück mit einer Strahlleistung von 1500 W erwärmt, um einen ausreichend hohen Wärmeeintrag zu gewährleisten. Bild 2 zeigt, dass es aufgrund der zu hoch angesetzten Strahlleistung zu Aufschweißungen des Werkstoffes gekommen ist und keine nachvollziehbare Spanbildung stattfinden konnte.

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