Spanende Fertigung Bessere Oberflächengüten sind erreichbar

Weiterentwickelte Hochleistungswerkzeuge aus Cermet können wirtschaftliche Alternative zu Hartmetall sein. Bei der Einführung neuer Bearbeitungstechniken nehmen Schneidstoffe und Werkzeuge eine...

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

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Mikron Switzerland AG, Division Tool

Bei der Einführung neuer Bearbeitungstechniken nehmen Schneidstoffe und Werkzeuge eine Schlüsselstellung ein, um Fertigungskosten und Bearbeitungszeiten bei gleichzeitig hoher Produktionssicherheit zu reduzieren. Beispiele dafür sind der Werkzeug- und Formenbau, wo das Schlichten durch Werkzeuge mit hohen Standzeiten erfolgen muss. Gleichermaßen stellt die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung aufgrund gesteigerter Zerspanungsleistung und Oberflächenqualität höhere Anforderungen an die Werkzeuge. Bestrebungen, die Trockenbearbeitung auch für zerspanungstechnisch schwierige Bearbeitungsaufgaben zur Serienreife zu führen, eröffnen besonders für den Schneidstoff Cermet neue Werkzeug-Einsatzfelder. Während die schleiftechnische Bearbeitung von Cermet-Schneidplatten als Stand der Technik angesehen werden kann, bereitet die Herstellung von Profilwerkzeugen aus Cermet-Vollmaterial noch erhebliche Probleme. Werkzeugbrüche und fehlerhafte Schneidkanten sind die Gründe, die bisher die wirtschaftliche Herstellung der Werkzeuge in Frage stellten. Thermische Beanspruchungen sind ein zentrales ProblemDie Ursachen liegen in den materialspezifischen Besonderheiten, die bei der Bearbeitung von Cermet zu berücksichtigen sind. Innerhalb eines Kooperationsprojektes wurden deshalb alternative Abtragmechanismen und Strategien für eine wirtschaftliche Schleifbearbeitung von Cermet untersucht. Ausgehend davon, dass bei der Cermet-Bearbeitung thermische Beanspruchungen ein zentrales Problem darstellen und hohe Prozesstemperaturen die Gebrauchseigenschaften des Schneidstoffes verändern können, bestand also das Ziel darin, thermisch schonende Abtragmechanismen zu erschließen. Darüber hinaus war es notwendig, den Schleifprozess zu qualifizieren, um eine wirtschaftliche Schleifbearbeitung sicherzustellen.Die im Projekt durchgeführten Verfahrensuntersuchungen zum thermisch schonenden Abtragen von Cermet-Material führten zur Abrasiv-Wasserstrahlbearbeitung, bei der verfahrensbedingt kaum Wärme in den Werkstoff eingebracht wird. Unter Nutzung der im Projekt entwickelten Bearbeitungsstrategien konnten mittels Abrasiv-Wasserstrahl an Rundstäben aus Cermet-Vollmaterial endformnahe Konturen im Toleranzbereich von 60,3 mm angearbeitet werden. Aus Sicht der erreichbaren Fertigungsgenauigkeiten bietet zwar die Abrasiv-Wasserstrahlbearbeitung keine generelle Alternative zur Schleifbearbeitung, eröffnet aber Möglichkeiten für ein thermisch schonendes Trennen und für die kostengünstige Vorbearbeitung von Konturen, deren Herstellung durch Schleifen mit einem größeren Zerspanungsvolumen und damit auch mit einem größeren Wärmeeintrag in das Material verbunden wäre. Höhere Prozesskräfte beim Schleifen von CermetsBeim Schleifen von Cermet treten gegenüber konventionellen Hartmetallen 2- bis 4-fach höhere Prozesskräfte auf. Diese führen zu einem größeren Schleifscheibenverschleiß und zu einer thermischen Belastung des Materials. Bedingt durch die geringe Wärmeleitfähigkeit von Cermet konzentriert sich die eingebrachte Wärme in der Werkstückrandzone mit der Folge thermischer Materialschädigungen oder auftretender Werkzeugbrüche [1 und 2]. Die wärmephysikalischen Vorgänge in der Oberflächenrandzone resultieren aus dem Zusammenwirken von Schleifscheibe, Werkstück und Kühlschmierstoff [3]. In zahlreichen Untersuchungen wurden Stäbe aus Cermet-Vollmaterial unter Variation der Stellgrößen geschliffen und der Einfluss der Schleifparameter, der Schleifscheibe und der Werkstoffkühlung ermittelt. Die Untersuchungen sowie Hinweise aus der Fachliteratur haben gezeigt, dass bezogen auf das Profilschleifen sowohl kleine Zustellungen mit hohen Werkstückgeschwindigkeiten als auch große Zustellungen mit geringen Werkstückgeschwindigkeiten keine vorteilhaften Ergebnisse bringen [3]. Eine erfolgreiche Zerspanung von Cermet war bei einem Vorschub von 20 mm/min möglich. Die Erhöhung des Vorschubes auf 30 mm/min und darüber hinaus führte zu Rissen und Materialbrüchen. Zustellungen von Se = 2,5 mm haben sich als günstig erwiesen. Um die thermische Beanspruchung zu reduzieren, sind niedrige Schnittgeschwindigkeiten von ~15 m/s anzustreben. Aufgrund des geringeren Reibanteils ist das Gleichlaufschleifen gegenüber dem Gegenlaufschleifen zu favorisieren.Weiche Bindungen vorteilhaft für die Cermet-BearbeitungDie Wirtschaftlichkeit der Schleifbearbeitung wird wesentlich von der Abtragleistung der Schleifscheibe bestimmt. Eine ungünstige Schleifscheibenspezifikation hinsichtlich Korngröße, Kornkonzentration, Bindungshärte und Bindungstyp führte zur starken Veränderung der Oberflächentopographie bis hin zum Zusetzen der Schleifscheibe. Damit war ein steiles Ansteigen der Prozesskräfte und -temperaturen verbunden. Um den Schleifprozess sicher zu beherrschen, war nach fünf bearbeiteten Werkzeugen (d = 10 mm) eine Schleifscheiben-Neukonditionierung erforderlich. Als vorteilhaft für die Bearbeitung von Cermet haben sich weichere Bindungen mit einer guten thermischen Leitfähigkeit erwiesen, weil die Prozesskräfte wie auch die Schleiftemperaturen niedriger sind.Zur Ermittlung des Einsatzverhaltens der Cermet-Werkzeuge wurden die in der Tabelle spezifizierten Werkzeugtypen bei der Fräsbearbeitung von Werkzeugstahl, zwei Vergütungsstählen und einem hitzebeständigen Turbinenstahl getestet.Um praxisnahe Einsatzfälle zu simulieren, erfolgten die Werkzeugtests unter Nutzung einer variablen Versuchstrategie, bei der in festgelegten konstanten Zyklen die Werte für Zeilenbreite und Schnitttiefe gesteigert wurden. Durch Ermittlung der Leistungsfähigkeit bezüglich des Vorschubweges war es möglich, das Einsatzverhalten der Werkzeuge in verschiedenen Belastungsfällen zu bewerten. Bild 4 zeigt den Einfluss der Werkstückstoffe C45E (Rm =650 N/mm²) und 42CrMo4+Q+T (Rm = 850 N/mm²) auf die Verschleißmarkenbreite. Die Messpunkte stellen den arithmetischen Mittelwert aus drei Teilversuchen dar. Zur Erfassung des Einflusses der Schnittgeschwindigkeit auf die Entwicklung der Verschleißmarkenbreite erfolgten Versuche beim Zeilenfräsen des Vergütungsstahls 42CrMo4 mit 200, 300 und 400 m/min Schnittgeschwindigkeit. Die Ergebnisse zeigen, dass mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit das Verschleißwachstum erwartungsgemäß zunimmt und damit die bekannten Gesetzmäßigkeiten der Zerspanungstheorie bestätigt werden. Für die Bearbeitung von 42CrMo4 wird eine Schnittgeschwindigkeit von 300 m/min empfohlen.Größerer Keilwinkel erhöht die SchneidkantenstabilitätBeim Vergleich des Werkzeugverschleißes in Abhängigkeit von der gewählten Verfahrensvariante konnten beim Zeilenfräsen von X22CrMo WV12.1 bessere Ergebnisse als beim Umfangsfräsen erzielt werden. Im Vergleich zum Umfangsfräsen konnte bei annähernd gleicher Verschleißmarkenbreite (VB-Mittelwert = 0,113 mm) der Vorschubweg um 39,3 m gesteigert werden.Die Untersuchung des Einflusses des Keilwinkels auf die Verschleißmarkenbreite hat ergeben, dass Cermet-Fräser mit einem Keilwinkel von etwa 70° statt bisher etwa 40° ein deutlich verbessertes Verschleißverhalten besitzen. Der größere Keilwinkel erhöht die Schneidkantenstabilität und führt zu einer deutlichen Verringerung von Schneidkantenausbrüchen. Gleichermaßen kam es zu einem langsameren Fortschreiten des Verschleißwachstums. Bedingt durch die größere Kantenfestigkeit, die geringere Diffusionsneigung und die höhere Oxidationsbeständigkeit des Schneidstoffes lassen sich mit Cermet-Werkzeugen in der Regel bessere Oberflächen als mit Werkzeugen aus Hartmetall herstellen.Aus den Testergebnissen war erkennbar, dass der entscheidende Vorteil von Cermet gegenüber Hartmetall in der erreichbaren Oberflächengüte liegt. Beim Vergleich der Verfahrensvarianten wurde beim Zeilenfräsen eine bessere Oberflächengüte als beim Umfangsfräsen erreicht. Beim Zeilenfräsen waren die Rauheitskennwerte quer zur Bearbeitungsrichtung im Gegensatz zum Umfangsfräsen geringer als die Rauheitskennwerte längs zur Bearbeitungsrichtung. Von den untersuchten Werkstückwerkstoffen ließen sich die Werkstoffe 42CrMo4 und C45E am besten bearbeiten. Bei den beiden Werkstoffen X22CrMo WV12.1 und X155CrVMo12.1 ist davon auszugehen, dass insbesondere der hohe Chromanteil zu einer Verringerung der Werkzeugstandzeit führte. Diese Werkzeugentwicklung wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Arbeit (BMWA) im Rahmen des Programms „Innovationskompetenz mittelständischer Unternehmen (Pro Inno)“ gefördert. Das im Projekt erworbene Prozesswissen, das sich auf theoretische und praktische Untersuchungen stützt, ermöglicht dem Projektpartner Gesau-Werkzeuge eine wirtschaftliche und zugleich auch qualiätsgerechte Bearbeitung von Werkzeugen aus Voll-Cermet. Am Projekt beteiligt waren das Institut für innovative Technologien ITW e. V. in Chemnitz und das Forschungs- und Transferzentrum e.V. der Westsächsischen Hochschule Zwickau (FH), Forschungsgruppe Spanungstechnik. Literatur:[1] Willisch, C.: Außenrund-Einstech-schleifen von Cermet. Schriftenreihe des IFS. Essen: Vulkan-Verlag 1998.[2] Weinert, G., G. Johlen und M. Schneider: Schleifen von Hartmetall- und Cermet-Werkzeugen. VDI-Z Special Werkzeuge 5/98.[3] Schneider, M.: Auswirkungen thermomechanischer Vorgänge beim Werkzeugschleifen. Essen: Vulkan-Verlag 1999.