P. Mayr

Investigation of the diamond machinability of newly developed hard coatings

Abstract Presently, coatings of electroless nickel are used for diamond turning molds for injection molding of optical lenses. We have investigated the diamond machinability of substoichiometric hard nitride coatings (TiN x , TiAlN x, and CrN x ). These coatings have a superior hardness compared to electroless nickel suggesting an improved wear resistance of molds with optical surface quality. In the case of CrN x and TiAlN x , high tool wear occurred, even after small cutting distances, and the surfaces showed a roughness larger than R a = 0.5 μm. A considerably higher surface quality was obtained on TiN x coatings. The best results (R a = 15 nm) were achieved with a nitrogen content of x = 0.03. As a first application, a mold for a diffractive optical element was machined using this newly developed substoichiometric titanium nitride deposit.

Einfluss von gezielt asymmetrischen Fertigungsbedingungen auf den Verzug von Wellen infolge von Abschreckprozessen

Kurzfassung Das Maß- und Formänderungsverhalten von Bauteilen beim Abschrecken kann in der Bauteilvorgeschichte und dem dabei aufgebauten Verzugspotenzial begründet sein. Dieser Anteil des Verzugspotenzials wird durch Asymmetrien und Inhomogenitäten in der Geometrie (Massenverteilung), der Seigerungen und der Gefüge- und der Eigenspannungsverteilung gebildet. Zusätzlich kann aber auch der Wärmebehandlungsprozess, speziell der Abschreckprozess, Verzüge verursachen. In der vorliegenden Arbeit wird über Versuche berichtet, in denen einzelne Beiträge zum Verzugspotenzial gezielt erhöht, während alle anderen Beiträge zum Verzugspotenzial minimiert wurden. Durch diese Vorgehensweise ließ sich eine klare Trennung der Verzugsursachen herbeiführen. Durch die gezielte Erhöhung einzelner Beiträge soll die Wirkungsweise und das Potenzial dieser Beiträge ausgelotet werden.

Düsenfeldanpassung bei der flexiblen Gasabschreckung

Kurzfassung Die Abschreckung mit Gasen bietet eine umweltschonende Alternative zur Flüssigkeitsabschreckung. Durch die flexible Einstellung des Düsenfeldes lassen sich außerdem örtlich unterschiedliche Wärmeübergangskoeffizienten und damit Abkühlbedingungen einstellen. Dieser Vorteil kommt im Besonderen bei geometrisch komplexen Bauteilen zum Tragen, denn ein ideal homogener Wärmeübergang über die Werkstückoberfläche kann zu starken Maß- und Formänderungen und zu Ungleichmäßigkeiten in der erzielten Härte des Bauteils führen. Ein Düsenfeld bietet jedoch die Möglichkeit, komplexe Bauteile mit einem angepassten Wärmeübergangsfeld abzuschrecken. Aus diesem Grunde werden in dieser Arbeit Auslegungsrichtlinien für einen werkstückangepassten, ortsabhängigen Wärmeübergang bei der flexiblen Gasabschreckung im Düsenfeld zur Minimierung des Bauteilverzuges und der Vergleichmäßigung des Härteprofils sowie Reduzierung der Eigenspannungen am Beispiel der Abschreckung einer abgesetzten Welle aufgezeigt.

Simulation der Eigenspannungen von Bauteilen aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 bei der Wärmebehandlung

Kurzfassung Zur Bewertung von Vorgängen während einer industriellen Wärmebehandlung, bspw. der Warmbadhärtung von Wälzlagern, können Simulationsrechnungen wertvolle Hinweise liefern. Dazu sind zahlreiche Stoffwerte und Randbedingungen nötig, die in unterschiedlicher Güte in der Literatur vorliegen. In diesem Artikel wird der Einfluss von Stoffwerten und Randbedingungen auf die Simulation der Spannungsentwicklung und des Verzugsverhaltens verzugsempfindlicher Bauteile während des Warmbadhärtens dargestellt. Die dafür notwendigen Stoffwerte und Randbedingungen wurden zunächst aus der Literatur entnommen bzw. abgeschätzt. Die als Referenz dienende Wärmebehandlung von Kegelrollenlager-Innenringen aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 wurde bei industriellen Partnern durchgeführt. Diese Bauteile wurden hinsichtlich der Zielgrößen Gefüge, Maß- und Formänderungen sowie Eigenspannungen charakterisiert. Aufgrund der Trennung von Abschreckspannungen und Umwandlungsspannungen beim Warmbadhärten können detaillierte Aussagen über den Einfluss von Kennwerten (Umwandlungsplastizität, Wärmeübergang etc.) auf die Spannungsentwicklung gemacht werden.

Schutz von Diamantwerkzeugen vor chemischem Verschleiß

Kurzfassung Einkristalline Diamantwerkzeuge sind für die Mikrozerspanung von Eisenbasis-Werkstoffen aufgrund des hohen chemischen Verschleißes nicht einsetzbar. Um die Diamantwerkzeuge vor dem chemischen Verschleiß zu schützen, können die Schneidwerkzeuge mit Hartstoffen beschichtet werden, sodass ein direkter Kontakt des Diamanten mit dem Werkstoff verhindert wird. In der vorliegenden Arbeit wurden TiN, TiAlN und AlN mittels des reaktiven Magnetron-Sputtern-Verfahrens auf Diamantwerkzeuge aufgebracht. Bei optimierten Prozessparametern wiesen die abgeschiedenen Schichten eine nahezu stöchiometrische, chemische Zusammensetzung, eine sehr glatte, feinkörnige Oberfläche, eine hohe Härte und gute Haftung auf. Die geringfügige Zunahme des Schneidkantenradius infolge der Beschichtungen ist für die Mikrozerspanung noch tolerierbar. Unter den Versuchsbedingungen wurde der Verschleiß der TiAlN-beschichteten Diamantwerkzeuge im Vergleich zu unbeschichteten Referenzdiamantwerkzeugen um bis zu 50% reduziert.

Technologische Grundlagenuntersuchungen zur Bearbeitung neuartiger schleif- und polierbarer PVD-Hartstoffschichten∗

Kurzfassung Die Herstellung hochpräziser optischer Abformwerkzeuge ist zentraler Schwerpunkt des transregionalen Sonderforschungsbereiches SFB/TR4 “Prozessketten zur Replikation komplexer Optikkomponenten“ an der Universität Bremen, der RWTH Aachen und der Oklahoma State University, Stillwater, USA, in dessen Rahmen diese Arbeit entstanden ist. Die Abformung optischer Bauteile wie z.B. von Linsen durch Spritzgießen, Heißprägen oder Heißpressen stellt im Hinblick auf die Funktionsflächen der Formeinsätze hohe Ansprüche. Während des Abformungsprozesses sind diese Funktionsflächen hohen thermischen, korrosiven und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt. Zur Erhöhung der Standzeiten und zur Verbesserung des Entformungsverhaltens werden Formeinsätze mit oxidations- und verschleißbeständigen Hartstoffen beschichtet. Die Eigenschaften der beschichteten Formeinsätze sind für optische Bauteile jedoch oft nicht ausreichend, sodass eine Nachbearbei-tung zur Herstellung der optischen Funktionsflächen notwendig wird.

Einfluss charakteristischer Werkstoffeigenschaften auf die Zerspanbarkeit bei hohen Schnittgeschwindigkeiten

Kurzfassung Bei der spanenden Bearbeitung ändert sich mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit die Art der Spanbildung. Dieser Effekt wird von den Eigenschaften des eingesetzten Werkstoffs wesentlich beeinflusst. Aus diesem Grunde wurden im Rahmen eines Forschungsvorhabens die Spanbildungsmechanismen bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verschiedener metallischer Werkstoffe untersucht. Ziel der Forschungsarbeiten war es, durch eine Variation der mechanischen, thermischen und strukturel-len Werkstoffeigenschaften, deren Einfluss auf die Spanbildung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu ermitteln. Dazu wurde bei Versuchen zum Außenlängsdrehen die Übergangsschnittgeschwindigkeit vHSC ermittelt, welche den Bereich der konventionellen Zerspanung von der Hochgeschwindigkeitszerspanung abgrenzt. Die Variation der thermischen und mechanischen Werkstoffeigenschaften wurde durch den Einsatz verschiedener Werkstoffe realisiert. Die gezielte Veränderung mikrostruktureller Werkstoffeigenschaften erfolgte durch ausgewählte Wärmebehandlungen vor der Zerspanung.

Eine einfache Methode zur Beurteilung von Abschrecksystemen

Kurzfassung Das Härten von Bauteilen ist im Allgemeinen einer der letzten Fertigungsschritte eines mehr oder weniger langen Herstellungsprozesses. Fehler, die beim Härten infolge unzureichender oder falscher Abschreckbedingungen entstehen, können zum Verlust der Teile führen oder eine Nachbehandlung erforderlich machen und verursachen dementsprechende Kosten. Zur Vermeidung unnötiger Kosten kommt es darauf an, die Abschreckwirkung eines Abschrecksystems und gegebenenfalls auch ihre Ortsabhängigkeit sowie die zeitliche Entwicklung dieser Größe zuverlässig zu bewerten. Während zur Beurteilung des Abschreckmediums eine Vielzahl an Labormethoden entwickelt wurden [bspw. 1–7], tre-ten in der Praxis bei der Bewertung der Kühlwirkung des entsprechenden Abschrecksystems (Abschreckmedium und -bad) im Zusammenhang mit der Abschreckeinrichtung Probleme auf. Die Messung von Abkühlkurven zur Beurteilung des Abschrecksystems ist unter industriellen Bedingungen in der Regel nur sehr schwer möglich, da die notwendige Hard- und Software zur Messung meist nicht verfügbar ist. Außerdem existieren oft keine oder nur sehr eingeschränkte Möglichkeiten zur Einbringung von instrumentierten Messproben in das Abschrecksystem. Um hier Abhilfe zu schaffen, wurde ein System von Standardproben entwickelt, mit denen es möglich ist, auf einfache Art und Weise die Abschreckbedingungen in einer Anlage zuverlässig und reproduzierbar durch einfache Härtemessungen beurteilen zu können.

Numerische Untersuchungen von Einflüssen inhomogener Fertigungsbedingungen auf den Verzug infolge von Abschreckprozessen

Kurzfassung Das Maß- und Formänderungsverhalten von Bauteilen während des Abschreckens wird – neben dem Abschreckprozess selbst – durch die Bauteilvorgeschichte und dem dabei aufgebauten Verzugspotenzial festgelegt. Dabei wird der Anteil der Bauteilvorgeschichte durch Asymmetrien der Massenverteilung und Inhomogenitäten in der chemischen Zusammensetzung, des Gefüges und der Eigenspannungen gebildet. Im Prinzip gibt es zwei grundlegende Methoden zur Untersuchung der o. g. Einflussfaktoren. Erstens können entsprechende Asymmetrien und Inhomogenitäten gezielt in die Bauteile einbracht werden. Die konkrete experimentelle Umsetzung ist u.U. aber schwierig bzw. aufwändig. Zweitens können Bauteile, die nach der Abschreckung Verzüge aufweisen, auf ungewollte Asymmetrien bzw. Inhomogenitäten hin untersucht werden. Hierbei kann es im Einzelfall aber schwierig sein, die Wirkung gefundener Asymmetrien zu beurteilen. Für beide Methoden stellt die Simulation ein hilfreiches Werkzeug dar, die genannten Untersuchungen zu begleiten bzw. gezielt zu lenken. In der vorliegenden Arbeit wird über Versuche und zugehörige Wärmebehandlungssimulationen unter Verwendung des kommerziellen Finite-Elemente-Programms SYSWELD berichtet. Untersucht wurden inhomogene Verzugspotenziale. Diese wurden entweder während des Fertigungsprozesses gezielt eingestellt oder nach erfolgter Abschreckung und Messung des Verzuges gezielt gesucht. Der Einfluss inhomogener Abschreckungen auf den Verzug wurde durch die Verwendung von hoch symmetrischen Gasdüsenfeldern (Abschreckung mit Stickstoff) weitgehend minimiert.

Advanced Features for the Qualification of Coatings by Means of Reflective Acoustic Microscopy

The main object of the investigation described in this paper is the usefulness of the V(z) response for the quantitative examination of the interfacial microstructures in coated parts. By means of the numerically calculated functions the experimental conditions for obtaining contrasted indepth patterns can be predicted. For this purpose the difference-characteristics of the calculated V(z) functions have been derivated as a quantitative tool for the estimation of the materials contrast conditions.