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Omschrijving

Die spanende Fertigung von Triebwerksbauteilen ist durch eine hohe thermomechanische Beanspruchung gekennzeichnet, welche in einem ausgeprägten Werkzeugverschleiß resultiert. Zur Gewährleistung der Randzonenintegrität der sicherheitskritischen Bauteile müssen übermäßiger und unkontrollierter Werkzeugverschleiß vermieden werden. Im Gegensatz zu den bekannten Auswirkungen der Werkzeuggeometrie oder des Schneidstoffs auf das Verschleißverhalten ist der Einfluss der Werkzeugrandzone auf das Standvermögen unbekannt. Die Randzoneneigenschaften werden durch die Prozessfolge der Werkzeugherstellung bestimmt, welche insbesondere das Werkzeugschleifen und die Werkzeugnachbehandlung umfasst. Vor diesem Hintergrund war die übergeordnete Zielsetzung der vorliegenden Arbeit die Identifikation der für das Standvermögen relevanten Randzonenmerkmale von VHM-Fräswerkzeugen, das Verständnis der zugrunde liegenden Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge und die Entwicklung daraus abgeleiteter Gestaltungsempfehlungen für die Randzonenmerkmale. Im ersten Schritt wurden weitreichende Untersuchungen der Auswirkungen von Werkzeugschleifprozess und Werkzeugnachbehandlung auf die entstehende Werkzeugrandzone durchgeführt. Hierbei standen die Oberflächenrauheit, die Eigenspannungen, Randzonenschäden und die Beschaffenheit der Schneidkante im Fokus. Im Folgenden wurde eine Methodik zur isolierten Einstellung einzelner Randzonenmerkmale entwickelt und erfolgreich auf die Versuchswerkzeuge angewendet. Im Rahmen von Fräsversuchen erfolgte die Bewertung des Standverhaltens der unterschiedlichen Werkzeugklassen in Bezug auf Zerspankraft, Spanbildung und Verschleißentwicklung. Durch die Klassifizierung und statistische Auswertung verschiedener Verschleiß- und Versagensformen konnten signifikante Korrelationen zwischen spezifischen Randzoneneigenschaften und dem Werkzeugverschleiß identifiziert werden. Für die detaillierte Analyse der Ursache-Wirkungs-Beziehungen erfolgte im vierten Schritt die Entwicklung eines FE-Spanbildungsmodells, mit dem Lastspannungen im Schneidkeil unter Berücksichtigung der Werkzeugeigenspannungen berechnet wurden. Die gewonnen Erkenntnisse flossen in den Aufbau eines Erklärungsmodells ein, welches Aufschluss über die Initiierung des Werkzeugversagens und die Möglichkeiten zur positiven Beeinflussung des Standvermögens gibt. Abschließend wurden konkrete Gestaltungsempfehlungen zur Auslegung der Werkzeugrandzone sowie zur Herstellung der Werkzeuge entwickelt.