Siliziumkarbid als Verstärkung bei der SiC-Bearbeitung

Siliziumkarbid bleibt auch bei hohen Temperaturen stabil und weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Temperaturschocks, Säuren und Laugen sowie eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf.

Die Zerspanbarkeit von MMCs wird durch den Sprödbruch der SiC-Partikel und das Auspflügen des Matrixmaterials eingeschränkt [1].

Auf bearbeiteten Oberflächen wurden Werkstückdefekte beobachtet, die auf zerkleinerte oder herausgezogene SiC-Partikel zurückzuführen sind [2]. Zu diesen Werkstückdefekten gehören Grübchen, Risse in der Matrix und Schwellungen, die dadurch entstehen, dass zerkleinerte SiC-Partikel während der Herstellung komprimiert oder entfernt werden [3.

Schneidewerkzeuge

Schneidwerkzeuge, die für die SiC-Bearbeitung eingesetzt werden, müssen schweren Bedingungen mit hohen Dehnungsraten, Temperaturen und Korrosion standhalten. Ihre Werkstoffe müssen daher hohen dynamischen Belastungen standhalten und gleichzeitig strukturell einwandfrei sein, und sie müssen langlebig genug sein, um im Laufe der Zeit wiederholt eingesetzt zu werden.

Wolframkarbid (WC) ist eine attraktive Wahl für Schneidwerkzeuge, da es eine hervorragende Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit bietet. Leider können seine Hauptbestandteile - W und Co - im Laufe der Zeit knapp werden, da die natürlichen Ressourcen abnehmen, so dass die langfristige Versorgung ein Problem darstellt. Andere Alternativen könnten Titan- oder Vanadiumkarbide sein.

Auch die chemische Beständigkeit sollte bei der Auswahl eines Schneidwerkzeugs eine wichtige Rolle spielen, da Ihr Werkzeug während der Bearbeitung mit Chemikalien in Kontakt kommt, die es im Laufe der Zeit verunreinigen und zersetzen können.

Es gibt ein Sortiment an Schneidwerkzeugen, das von linearen bis zu rotierenden Werkzeugen reicht. Zu den linearen Werkzeugen gehören Meißel (Einpunktschneidwerkzeuge) und Räumnadeln, während zu den rotierenden Werkzeugen Bohrer, Senker und Senkungen, Gewindebohrer und Matrizen sowie Reibahlen gehören. Keramikspezifische Schneidwerkzeuge bestehen häufig aus Hartmetallklingen, die eine effektive Keramikbearbeitung ermöglichen, während andere Schneidwerkzeuge Komponenten aus Siliziumkarbid (SiC) oder Diamant enthalten können.

Kühlung

Bei der spanabhebenden Bearbeitung entsteht häufig übermäßige Wärme, was sich negativ auf die Bearbeitbarkeit des Materials auswirkt und letztlich zu Eigenspannungen und schlechten mechanischen Eigenschaften der bearbeiteten Oberflächen führt [74]. Wirksame Kühlanwendungen sind unerlässlich, um die Schnittkraft zu verringern und die Bearbeitbarkeit der Werkstücke zu verbessern. Solche Anwendungen führen überschüssige Wärme aus dem Arbeitsbereich ab, indem sie die Spanabfuhr beschleunigen, eine Filmschicht zwischen Schneidwerkzeug und Spänen erzeugen und die Reibung verringern - aber Kühlmittel auf chemischer Basis können die Umwelt verschmutzen, die menschliche Gesundheit negativ beeinflussen oder die Betriebskosten erheblich erhöhen [75].

Die Bearbeitung von SiCp/Al-Verbundwerkstoffen erfordert einen besonderen Ansatz, um einen frühzeitigen Werkzeugverschleiß zu verhindern und die Integrität der bearbeiteten Oberfläche zu erhalten. Ein beliebter Ansatz besteht in der Verwendung von unbeschichteten Hartmetalleinsätzen oder TiAlN-beschichteten Werkzeugen mit einer Härte zwischen 60 und 65 HRc, zusammen mit kryogenen Kühlmitteln, um deren Kühl- und Schmierwirkung zu erhöhen.

Die kryogene Kühlung kann dazu beitragen, die Schnittkräfte und die Wärmeeinwirkung beim Fräsen zu verringern und die Werkzeugwechsel und Zykluszeiten zu reduzieren. Darüber hinaus werden durch die kryogene Kühlung toxische Chemikalien aus dem Arbeitsbereich entfernt - ein Vorteil, über den Gu et al. in ihrer Studie zur Verbesserung der Zerspanbarkeit von SiCp/Al-Verbundwerkstoffen mit hohem SiC-Anteil durch kryogene Kühlung berichteten, was zu einer hochintegrierten bearbeiteten Oberfläche und weniger Sprödbruch führt.

Schmierung

Bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren werden verschiedene Kühl- und Schmierungstechniken eingesetzt, die allesamt hohe Kühlmittelkosten verursachen, sich negativ auf die menschliche Gesundheit und die Umwelt auswirken und möglicherweise langfristig nicht nachhaltig sind. Um dieser Herausforderung zu begegnen, erforschen Forscher verschiedene Kühl-/Schmierverfahren, die nachhaltige Alternativen zu den herkömmlichen Verfahren bieten könnten.

Die Bearbeitbarkeit von mit SiC verstärkten MMCs hängt davon ab, wie die Partikel während der Bearbeitung mit dem Schneidwerkzeug interagieren, von der Temperaturentwicklung und den auftretenden Kräften [142]. Infolgedessen können bearbeitete Oberflächen gepflügte Furchen, flache Gruben, Matrixausrisse und aus dem Material selbst gezogene SiC-Fragmente aufweisen [149].

Zur Behebung von Oberflächendefekten haben die Forscher verschiedene Schmiermittelstrategien angewandt. Dazu gehören das Zerstäuben von Festschmierstoffen (z. B. Graphit), Nanofluide (z. B. NH3, SiO2), ionische Flüssigkeiten und elektrolytisches In-Prozess-Dressing (ELID). Von diesen Ansätzen bietet MMS mehrere Vorteile, darunter niedrigere Produktionskosten, Schutz der Gesundheit der Arbeitnehmer und Umweltverträglichkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Scherfestigkeit der Werkzeuge.

Das CO2-unterstützte Kryo-Schneiden mit MMS zeigt eine hervorragende Bearbeitungsleistung für eine Al6063/SiCp/65p-Verbundplatte. Dies ist auf die verringerte Adhäsion zwischen Werkstück und Werkzeug zurückzuführen, die durch die niedrige Umgebungstemperatur des CO2-unterstützten Schneidens entsteht, wodurch die SiC-Partikel effizienter mit den Schneidwerkzeugen interagieren können als beim Flutschneiden.

Werkzeugverschleiß

Siliziumkarbid (SiC) ist ein hartes Material mit außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und hoher Beständigkeit gegen Korrosion, Hitzeschock und andere extreme Bedingungen. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften wird SiC häufig als Verstärkung in Metallmatrix-Verbundwerkstoffen (MMC) für Anwendungen verwendet, die Verschleißfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit erfordern.

MMCs mit SiC-Verstärkung können jedoch aufgrund ihrer Sprödigkeit und schwierigen Brucheigenschaften schwierig zu bearbeiten sein [1, 2]. Dies führt zu minderwertigen bearbeiteten Oberflächen, erhöhtem Werkzeugverschleiß, verringerter Zerspanungskraft und letztlich zu einer geringeren Produktivität und Effizienz, was wiederum zu einer geringeren Produktivität und Effizienz führt.

Es wurden zahlreiche Techniken entwickelt, um die Bearbeitbarkeit von MMC mit SiC-Verstärkung zu verbessern, z. B. die Verwendung von mehrschichtigen Hartmetallwerkzeugen, die Anpassung der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs sowie der Einsatz von Ultraschallschwingungen. Es wurden Studien darüber durchgeführt, wie sich die einzelnen Faktoren auf MMC mit SiC-Verstärkung auswirken.

MRR und Oberflächenrauheit (SR) der bearbeiteten Oberflächen hängen von verschiedenen elektrischen Parametern während des Erodierens ab, wie z. B. Spaltspannung, Spitzenstrom, Impulseinschaltzeit, Impulsausschaltzeit sowie nicht-elektrische Parameter wie Spülung, die sich auf die Bearbeitbarkeit des Werkstücks und den Verschleiß der Keramikwerkzeuge auswirken.