Angepasste Zerspanprozesse für bleifreie Kupferwerkstoffe

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Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Vor diesem Hintergrund wird am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen im Rahmen eines vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF im Programm zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) finanzierten öffentlichen Projektes eine angepasste Hochleistungszerspanung für schwer zerspanbare bleifreie Kupferwerkstoffe entwickelt. In systematischen Untersuchungen zum Außenlängsdrehen wurde in einem ersten Schritt die Zerspanbarkeit von Reinkupfer, niedrig legiertem Kupfer, Messing, Sondermessing, Zinn- und Aluminiumbronze sowie Neusilber hinsichtlich Spanform, Zerspankraft, Oberflächenqualität und Werkzeugverschleiß beurteilt und mit dem bleihaltigen Automatenmessing CuZn39Pb3 (Zerspanbarkeitsindex 100) verglichen. Die Zugfestigkeit und Bruchdehnung einiger dieser Werkstoffe sind in der Tabelle abgebildet.

Lange Band- oder Wirrspäne wickeln sich zum Teil um das Werkstück

CuZn39Pb3 zeigte aufgrund der positiven Auswirkungen des Legierungselementes Blei in jeder Hinsicht eine sehr gute Zerspanbarkeit. Das Reinkupfer Cu-ETP und das niedrig legierte Kupfer CuCr1Zr (Bild 1) sowie eine Vielzahl bleifreier Legierungen wie CuZn37, CuZn42, CuSn8P, CuAl10Ni5Fe4 und CuNi18Zn20 erwiesen sich hingegen als sehr schwierig zu zerspanen, insbesondere hinsichtlich der entstehenden Spanformen (Bild 2).

Aufgrund der hohen Zähigkeit und Bruchdehnung der Werkstoffe und des Fehlens von spanbruchfördernden Legierungselementen bildeten sich oftmals lange Band- oder Wirrspäne aus, die sich zum Teil um das Werkstück oder den Werkzeughalter wickelten. Die Problematik verschärfte sich besonders bei Schlichtoperationen mit geringen Vorschüben und Schnitttiefen. In der automatisierten Fertigung verringert dies die Produktivität aufgrund von Maschinenstillstandszeiten sowie die Prozesssicherheit in erheblichem Maße.

Die bleifreien, siliziumhaltigen Sondermessinge CuZn10Si4, CuZn10Si4-C sowie CuZn21Si3P zeigten hingegen einen ausgesprochen guten Spanbruch. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die siliziumreichen Phasen (κ-Phasen) im Gefüge ähnlich wie Blei als guter Spanbrecher wirken.

Neben der Ausbildung ungünstiger Spanformen besteht eine weitere Problematik bei der Bearbeitung bleifreier Kupferwerkstoffe darin, dass zum Teil wesentlich höhere Kräfte auf das Werkzeug und das Werkstück wirken. Bild 3 zeigt den Verlauf der Schnittkräfte einiger bleifreier Legierungen beim Längsdrehen im Vergleich zum bleihaltigen Messing CuZn39Pb3.

Der zum Teil deutliche Kraftanstieg erklärt sich vor allem durch eine stärkere Spanstauchung, die zu einer höheren mechanischen Belastung auf das Werkzeug führt. Bei der Bearbeitung von CuZn37 (Bild 4) wurde im Vergleich zu CuZn39Pb3 eine ungefähr fünfmal so große Stauchung des Spans festgestellt.

Bleifreie Kupferwerkstoffe zeigten eine sehr hohe Adhäsionsneigung

Infolge der hohen Zerspankräfte und mechanischen Belastung auf das Werkzeug bildete sich bei der Drehbearbeitung des reinen Kupfers Cu-ETP mit beschichtetem Hartmetall (HC-N10, PVD-TiAlN-Beschichtung) bei einer Schnittgeschwindigkeit v_c von 200 m/min, einem Vorschub f von 0,1 mm und einer Schnitttiefe a_p von 1 mm (KSS: Emulsion) nach einer Schnittzeit von nur 25 min ein maximaler Freiflächenverschleiß VBmax von 0,26 mm aus (Bild 5). Bei der Bearbeitung aller anderen Kupferwerkstoffe wurde das definierte Standzeitkriterium VBmax = 0,2 mm nach einer Schnittzeit von 150 min noch nicht erreicht. Eine endgültige Aussage über die Verschleißausbildung ist noch nicht möglich. Es lässt sich jedoch festhalten, dass im Vergleich zu CuZn39Pb3 ein zum Teil deutlich stärkerer Freiflächenverschleiß bei der Bearbeitung von CuSn8P, CuNi18Zn20, CuAl10Ni5Fe4 und CuAl10Fe5Ni5-C beobachtet wurde.

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