Locally resolved stress measurement in the ultra-hard composites polycrystalline diamond and polycrystalline cubic boron nitride

Abstract

Cutting tools made of the ultra-hard composites polycrystalline diamond and polycrystalline boron nitride are being used in more and more sectors of machining. Due to the laborious preparation processes such as grinding, brushing, electrical discharge and laser machining, the subsurface of these tools is strongly stressed mechanically and thermally. This also changes the residual stress state in the highly loaded cutting edge area. The measurement of these residual stresses is not possible by established XRD methods due to the highly curved surface of the cutting edge. The measurement method Raman spectroscopy shows high potential for this application, but conversion factors are necessary for the application. These factors enable the conversion of the stress-induced peak shift in the Raman spectrum into absolute residual stress values. Previous conversion factors are mainly based on hydrostatic load cases, which, however, cannot be transferred to the application on cutting tools. In this work, axial load cases were provided by bending and conversion factors were determined by comparing XRD stress measurements and Raman peak shifts. The conversion factors determined were then plotted against existing results from other studies and the causes for the deviations that occurred were determined. By this, for the first time, a conversion factor for an axial load case for cubic boron nitride could be determined and it could be shown that, as for diamond, it differs significantly from the hydrostatic load case.

Zerspanwerkzeuge aus hochharten Schneidstoffen wie polykristalliner Diamant und polykristallinem Bornitrid finden in immer mehr Bereichen der Zerspanung Anwendung. Durch die aufwendigen Präparationsprozesse wie Schleifen, Bürsten, Erodieren und Laserbearbeitung wird die Randzone dieser Werkzeuge mechanisch und thermisch stark beeinflusst. Durch diese Einflüsse wird auch der Eigenspannungszustand im hochbelasteten Schneidkantenbereich verändert. Die Messung dieser Eigenspannungen ist durch etablierte röntgenografische Verfahren aufgrund der stark gekrümmten Oberfläche der Schneidkante nicht möglich. Die Messmethode Raman-Spektroskopie zeigt für diese Anwendung hohes Potential, jedoch sind hierfür Konvertierungsfaktoren notwendig. Diese Faktoren ermöglichen eine Umrechnung des spannungsinduzierten Peakshifts im Raman-Spektrum in absolute Eigenspannungswerte. Bisherige Konvertierungsfaktoren basieren zum großen Teil auf hydrostatischen Lastfällen, die auf die Anwendung an Zerspanwerkzeugen jedoch nicht übertragbar sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden axiale Lastfälle durch eine Biegebelastung bereitgestellt und anschließend die Konvertierungsfaktoren durch die Gegenüberstellung von röntgenografischen Spannungsmessungen und Raman-Messungen ermittelt und mit Literaturwerten verglichen. Dabei konnte erstmals ein Konvertierungsfaktor für einen axialen Lastfall für kubisches Borntitrid ermittelt werden und aufgezeigt werden, dass sich dieser, ebenso wie bei Diamant, stark vom hydrostatischen Lastfall unterscheidet.