Auf die harte Tour

CVD-Dickschichtdiamant verringert den Verschleiß und die Zerspankräfte in der Hartmetallbearbeitung. Hartmetall hat sowohl in der Zerspanung als auch in der Umformtechnik eine große Bedeutung. Auf...

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CVD-Dickschichtdiamant verringert den Verschleiß und die Zerspankräfte in der HartmetallbearbeitungHartmetall hat sowohl in der Zerspanung als auch in der Umformtechnik eine große Bedeutung. Auf Grund der hohen Härte sowie der Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit werden unter anderem Walzringe aus Hartmetall eingesetzt. Wegen der hohen Werkstoffkosten werden sie während ihrer Nutzungszeit mehrfach nachbearbeitet, um so die Einsatzdauer zu erhöhen. Bisher werden Hartmetallwalzringe üblicherweise bei der Neufertigung und der Nachprofilierung aufwendig geschliffen. Daher besteht in der Werkzeug- und Stahlindustrie ein großes Interesse daran, die Schleifbearbeitung ganz oder teilweise durch ein Fertigungsverfahren höherer Wirtschaftlichkeit und Flexibilität zu ersetzen.Heutzutage wird in Einzelfällen gesintertes Hartmetall mit polykristallinem kubischen Bornitrid (PCBN) und polykristallinem Diamant (PKD) gedreht. Auf diese Weise kann ein höheres Zeitspanungsvolumen erzielt und die Bearbeitungszeit gegenüber dem Schleifen verkürzt werden. Weitere Vorteile sind in der Verfügbarkeit von Drehmaschinen in den meisten Produktionsstätten und in der Flexibilität in Bezug auf unterschiedliche Walzenkaliber zu sehen. Allerdings sind die Möglichkeiten des Ultrahartdrehens kaum bekannt. Daher wird diese Technik vom Arbeitsbereich Fertigungstechnik 1 der Technischen Universität Hamburg-Harburg grundlegend untersucht.Als Hartmetallwalzringe werden vielfach Wolframkarbid-Kobalt-Legierungen eingesetzt. Bei Walzringen, die mechanisch hoch belastet werden und eine hohe Beständigkeit gegen abrasive, adhäsive und oberflächenzerrüttende Beanspruchungen aufweisen sollen, beträgt der Kobaltgehalt je nach Art der Beanspruchung 15 bis 30%. Mit abnehmendem Kobaltgehalt des Hartmetalls steigt dessen Härte und die Zerspanbarkeit wird schwieriger. Daher werden bislang nur Walzringe mit relativ hohen Kobaltgehalten gedreht. CVD-Schneidstoffe sind bindemittelfreiDie Gattung der hochharten Schneidstoffe wurde in den vergangenen Jahren durch die Entwicklung von CVD-(Chemical Vapour Deposition-)Dickschichtdiamant erweitert, der insbesondere bei der Ultrahartbearbeitung deutliche Leistungssteigerungen erwarten lässt und sich zum Beispiel bei der Zerspanung abrasiver Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe bewährt hat [1 und 2]. Im Gegensatz zu PKD, bei dem synthetische Diamantkörner in einer Kobaltmatrix gebunden sind, ist CVD bindemittelfrei. Deshalb zeichnet sich CVD ähnlich dem monokristallinen Diamanten durch höchste Härte aus, die zusätzlich isotrop ist. Allerdings besitzt PKD auf Grund der kobalthaltigen Bindematrix eine höhere Zähigkeit als CVD.PCBN-Schneidstoffe erreichen nicht die Härte der Diamantschneidstoffe, haben aber ihnen gegenüber eine höhere Temperaturbeständigkeit. Zudem können die mechanischen und thermischen Eigenschaften des PCBN-Schneidstoffes durch unterschiedliche metallische und keramische Bindephasen, CBN-Gehalte und Korngrößen beeinflusst werden. So lassen sich die Härte, Zähigkeit und Thermoschockbeständigkeit der Bearbeitungsaufgabe anpassen. Untersuchungen beim Drehen von gesintertem HartmetallAusgehend davon wird nachfolgend das Leistungsvermögen von CVD gegenüber PKD und PCBN beim Drehen von gesintertem Hartmetall anhand experimenteller Untersuchungen aufgezeigt. Für die Versuche stand eine CNC-Schrägbettdrehmaschine hoher statischer Steifigkeit zur Verfügung. Bearbeitet wurde hauptsächlich Wolframkarbid-Kobalt-Hartmetall mit einem Bindemittelgehalt von 17% (WC-17Co-Hartmetall), das eine Härte von 860 HV30 aufweist. Diese Hartmetallsorte wurde ausgewählt, weil nach Erfahrungen der Praxis hier die Anwendungsgrenzen für PCBN-Schneidstoffe gegenüber Diamantschneidstoffen liegen. In einem neutralen Klemmhalter mit einem Neigungswinkel von -8° wurden Wendeschneidplatten RNMN 090300 mit einer Schneidkantenverrundung von 10 µm (E10) eingesetzt.Bei der Schneidstoffauswahl ist die hohe mechanische und thermische Belastung des Hartmetalldrehens zu beachten. Für diese Untersuchungen wurden exemplarisch jeweils eine PCBN-, PKD- sowie CVD-Dickschichtdiamantsorte ausgewählt. Beim PCBN-Schneidstoff handelt es sich um eine massive Ausführung, wohingegen die Diamantschneidstoffe in einer „Full-Face-Ausführung“ vorliegen. Alle Schneidstoffe sind durch einen mindestens 94-prozentigen Anteil des Hartstoffs gekennzeichnet. Die physikalischen Eigenschaften der Schneidstoffe resultieren aus der Kombination von mittlerer Korngröße und Anteil des Abrasives sowie Art der Bindephase (Tabelle).Zerspankräfte und Verschleiß haben besondere BedeutungKriterien für die Zerspanbarkeit sind der Werkzeugverschleiß, die Zerspankräfte, die erreichbare Oberflächengüte und die entstehenden Spanformen [1]. Beim Drehen von gesintertem Hartmetall kommt den Zerspankräften sowie dem Verschleiß eine besondere Bedeutung zu. Zum Bestimmen des Verschleißverhaltens wurden hauptsächlich Freiflächenverschleiß und Kolkbildung untersucht. Die Drehversuche erfolgten bei Schnittparametern von ap = 0,5 mm, f = 0,2 mm und vc = 20 m/min mit 6-prozentiger Emulsion. Unter Berücksichtigung des Eckenradius beträgt die maximale effektive Spanungsdicke 0,09 mm.Für das WC-17Co-Hartmetall wird in Bild 1 der Einfluss der unterschiedlichen Schneidstoffe auf den Freiflächenverschleiß und die Zerspankraftkomponenten dargestellt. Der CVD-Dickschichtdiamant weist gegenüber den PCBN- und PKD-Schneidstoffen einen deutlich geringeren Verschleißanstieg über dem Schnittweg auf (Bild 1a). Legt man als Standkriterium eine Verschleißmarkenbreite von 200 µm zu Grunde, so wurde mit CVD eine etwa 2,5-fache Standzeit gegenüber PKD und PCBN erreicht. Ursächlich dafür ist die auf Grund der Binderfreiheit hohe Härte des CVD.In Bezug auf die Zerspankräfte ist aus früheren Untersuchungen bekannt, dass die Passivkraft beim Hartmetalldrehen ebenso wie bei der Hartbearbeitung von Stählen die dominierende Komponente darstellt [1, 3 und 4]. So lag die Passivkraft bei arbeitsscharfer Schneide bei 750 bis 950 N. Passiv-, Schnitt- und Vorschubkräfte unterschieden sich für die einzelnen Schneidstoffe nur geringfügig (Bild 1b). Mit fortlaufendem Verschleiß zeichneten sich zwischen den Schneidstoffen erhebliche Unterschiede ab: CVD erreichte im Vergleich zu PCBN und PKD deutlich niedrigere Zerspankraftkomponenten. Beispielsweise wurde in der Passivkraft bei einer Verschleißmarkenbreite von 200 µm für CVD 1600 N gemessen, wogegen PKD 2500 N und PCBN 3200 N aufwiesen. Dieses ist hauptsächlich auf die härtebedingt geringere elastische Deformation der CVD-Schneide zurückzuführen. Die genauere Analyse dieses Sachverhalts ist Gegenstand laufender Untersuchungen.Geht man davon aus, dass bei Schruppbearbeitungen die Schnittdaten und Werkzeugstandzeiten durch die Maschinenbelastung, das heißt eine maximal zulässige Zerspankraft begrenzt sind, dann lässt CVD eine höhere Verschleißmarkenbreite am Standzeitende zu. Damit erlaubt CVD gegenüber PKD und PCBN beim Schruppen eine weitere deutliche Steigerung der Standzeit. Beim Schlichten ermöglicht CVD durch geringeren Verschleißfortschritt sowie niedrigere Kräfte eine höhere Maß- und Formgenauigkeit.CVD-Schneide wies größere Schartigkeit aufDie Verschleißformen verschlissener PCBN- und CVD-Schneiden sind beispielhaft Bild 2 zu entnehmen. Der Freiflächenverschleiß von PCBN wies unabhängig von der effektiven Spanungsdicke eine konstante Verschleißmarkenbreite auf. Dagegen war bei CVD eine deutliche Abhängigkeit der Verschleißmarkenbreite von der effektiven Spanungsdicke festzustellen. Im Gegensatz zur PCBN-Schneide war die CVD-Schneide durch eine größere Schartigkeit im Bereich der maximalen effektiven Spanungsdicke gekennzeichnet.Der Spanflächenverschleiß des PCBN-Schneidstoffes sowie der Diamantschneidstoffe bildete sich in Form einer Stufe aus, deren Höhe, gekennzeichnet durch den Schneidkantenversatz SVa, bei CVD 20 µm und bei PCBN 45 µm betrug. Zusätzlich war der Rücken der Stufe bei PCBN in Spanablaufrichtung durch eine negative Fase abgeschrägt. Während beim CVD und PKD unabhängig vom Verschleißzustand Bröckelspäne auftraten, wies PCBN mit fortschreitendem Verschleiß unterschiedliche Spanformen auf. Mit arbeitsscharfer Schneide traten auch beim PCBN Bröckelspäne auf, mit fortlaufendem Verschleiß bildeten sich Fließspäne. Ab einer Verschleißmarkenbreite von VB > 170 µm waren wieder Bröckelspäne zu erkennen. Auf Grund der zeitweiligen Fließspanbildung wurde der Rücken der Stufe abgetragen, wodurch sich die beschriebene Fase bildete.Neben dem abrasiven Werkzeugverschleiß war vor allem beim PCBN eine deutliche Verklebung von Hartmetallpartikeln an der Schneidkante und auf der Spanfläche festzustellen. Aus der Metallzerspanung ist bekannt, dass die Aufbauschneidenbildung von der Schnittgeschwindigkeit beziehungsweise Wirkzonentemperatur abhängt. Diese Abhängigkeit wird zur Zeit auch für die Ultrahartbearbeitung untersucht. Beim CVD wurden Verklebungen mit dem Hartmetall in geringerem Umfang beobachtet, was auf ein niedrigeres Temperaturniveau in der Wirkzone, resultierend aus der zehnfach höheren Wärmeleitfähigkeit dieses Schneidstoffes, zurückzuführen ist. Diese Erklärung wird durch die bei PCBN und CVD unterschiedlichen Spanformen gestützt.Es wurde bei arbeitsscharfer Schneide kein Einfluss der Schneidstoffe auf die Oberflächengüte nachgewiesen. Die gemittelten Rautiefen lagen in einem Bereich von 3 bis 4 µm. Unter Berücksichtigung des verwendeten Vorschubs und Eckenradius’ betrug die kinematische Rautiefe 1,05 µm. Mit fortschreitendem Verschleiß nahm die Werkstückrautiefe bedingt durch zunehmende Schartigkeit der oberflächenerzeugenden Schneidenbereiche zu. Bei einer verschlissenen Schneidkante (VB = 180 bis 195 µm) ergaben sich mit PCBN und CVD gemittelte Rautiefen von 4,5 bis 5 µm, wohingegen bei PKD eine gemittelte Rautiefe von 6,4 µm gemessen wurde.Angesichts der relativ niedrigen Zähigkeit sehr harter Schneidstoffe kommt der beanspruchungsgerechten Schneidenausführung eine große Bedeutung zu. Zur geometrischen Stabilisierung werden die Schneiden je nach dynamischer Belastung - zum Beispiel durch Aufmaßschwankungen oder Schnittunterbrechungen - verrundet und/oder gefast. Der Einfluss unterschiedlicher Schneidkantengeometrien wurde anhand verrundeter CVD-Schneidplatten (E10) sowie gefaster und verrundeter CVD-Schneidplatten (S0202010) untersucht, die eine Fasenbreite von 0,2 mm, einen Fasenwinkel von 20° und eine Schneidkantenverrundung von 10 µm aufwiesen.Verrundung der Schneidkante sollte nicht zu klein seinMit verrundeten Schneidkanten wurde im vorliegenden Fall des kontinuierlichen Schnitts der doppelte Schnittweg gegenüber gefasten und verrundeten Schneiden erreicht (Bild 3). Allerdings wiesen verrundete Schneiden nach dem ersten Eingriff eine größere Verschleißmarkenbreite auf. Durch diese größere Verschleißmarkenbreite wurde eine Stabilisierung der verrundeten Schneidkanten erreicht. Daher sollte die Schneidenverrundung nicht zu klein gewählt werden, um eine undefinierte Stabilisierung der Schneidkanten durch den Zerspanprozess zu vermeiden. Wie Bild 3 weiter zeigt, erwiesen sich verrundete Schneiden auch hinsichtlich der Zerspankraft gegenüber gefasten und verrundeten Schneiden als vorteilhaft.Literatur[1] Hintze, W. und C. Möller: Heutige Tendenzen der Ultrahartbearbeitung. Mensch & Technik, 8(2002) 3, S. 14-16. [2] Weinert, K., M. Buschka, M. Liedschulte, D. Biermann, U. Huber und J. Niehues: Mechanische Bearbeitung von Komponenten aus Leichtverbundwerkstoffen. In: Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde. Wiley-VCH-Verlag, 1999, S. 207-212. [3] Nedeß, C., W. Hintze, M. Halver und C. Möller: Hartdrehen statt Schleifen. Maschinenmarkt 25/2002, S. 38-43.[4] König, W., R. Komanduri, K.H. Tönshoff und G. Ackerschott: Machining of Hard Materials. Annals of the CIRP Vol. 33/2/1984, S. 417-427.