Gusseisen mit Vermikulargraphit prozesssicher bearbeiten

Durch die Klärung der Verschleißmechanismen bei der Bearbeitung von GGV im kontinuierlichen Schnitt war es möglich, Werkzeuge zu entwickeln, die eine hochproduktive Bearbeitung von Gusseisen mit...

Anbieter zum Thema

Aachener Maschinenbau GmbH

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Durch die Klärung der Verschleißmechanismen bei der Bearbeitung von GGV im kontinuierlichen Schnitt war es möglich, Werkzeuge zu entwickeln, die eine hochproduktive Bearbeitung von Gusseisen mit Vermikulargraphit (GGV) ermöglichen. Damit ist der Weg frei, einen Werkstoff, der sich durch deutlich erhöhte Festigkeitseigenschaften auszeichnet, in die Mittel- und Großserienproduktion einzuführen.Gusseisen mit Vermikulargraphit zeichnet sich gegenüber Grauguss durch seine um mindestens 75% erhöhte Zugfestigkeit und vor allem seine etwa doppelt so hohe Dauerfestigkeit aus. In Kombination mit einer gegenüber Grauguss nur leicht verringerten Wärmeleitfähigkeit, die durch die Konstruktion von dünnwandigeren Bauteilen kompensiert werden kann und einer im Vergleich zu Gusseisen mit Kugelgraphit deutlich besseren Gießbarkeit bietet sich GGV somit in idealer Weise als Werkstoff für leistungsstarke Motorblöcke an.Erste Erfolge errang die Adam Opel AG schon Mitte der 90er Jahre mit einem Hochleistungsmotor aus GGV. Gegenüber der Serienmaschine man konnte mit diesem GGV-V6-Aggregat die Leistungsdichte (kW/kg) um mehr als 250% im Vergleich zum Serienaggregat erhöhen. Angespornt durch diese Erfolge wurde in Zusammenarbeit mit dem Institut für Produktionstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt ein erster Transferstraßentest mit 1000 GGV-Motorblöcken durchgeführt. Die Ergebnisse waren ernüch-ternd. Während beim Fräsen und Boh-ren die Standwege der Werkzeuge auf etwa die Hälfte im Vergleich zum bisher verwendeten Grauguss abfielen, verringerten sich die Standwege bei den taktzeitkritischen Operationen Schruppen und Schlichten der Zylinderbohrungen auf 5 bis10% der vorher gewohnten Werte. Beide Zylinderbohroperationen wurden mit hohen Schnittgeschwindigkeiten zur Erreichung der Taktzeit durchgeführt. Wegen dieser geringen Werkzeugstandwege mussten deshalb zuerst Erkenntnisse über den Verschleißmechanismus der Werkzeuge gewonnen werden. Um hier Erfolg zu haben, arbeitete das PTW zusammen mit den führenden Fahrzeug-, Werkzeug- und Schneidstoffherstellern sowie mit Gießereien und einem dem Gießereitechnikzulieferer in mehreren Projekten, mit dem Ziel, eine hochproduktive Bearbeitung von Zylinderkurbelgehäusen aus GGV zu ermöglichen. GGV ist abrasiver als GraugussNur durch das Verstehen des Verschleißmechanismus ist es möglich, zielgerichtet alternative Werkzeugkonzepte zur GGV-Bearbeitung zu entwickeln. Deshalb führte das PTW auch zusammen mit dem Fachgebiet Materialwissenschaft der TU Darmstadt umfassende Untersuchungen durch. Zuerst wurden die ,,klassischen" Verschleißmechanismen Abrasion, Adhäsion, Diffusion und Oxidation in Modellversuchen isoliert voneinander betrachtet. Es zeigte sich, dass das abrasive Verhalten von GGV gegenüber Grauguss bei etwa gleicher Härte um etwa 30% stärker ausgeprägt ist. Eine ähnliche Tendenz ergab sich beim adhäsiven Verhalten. Der Reibungskoeffizient von GGV ist im Vergleich zu Grauguss um etwa 15% höher. Dies ist mit der höheren Duktilität des Werkstoffs zu begründen.Diffusionsuntersuchungen der Werkstoffe GGV und Grauguss jeweils mit neuen PCBN-Schneidplatten lassen deutlich diffundierende Elemente erkennen. Die Proben wurden in einer Schutzgasatmosphäre 6 h auf 700 und auf 1050°C erhitzt. Bei diesen Versuchen diffundieren sowohl Elemente der PCBN-Bindephase (Titan, Wolfram) als auch das Element Bor aus dem eigentlichen Hartstoff, den CBN-Körnern, in den Werkstoff GGV. Aufgrund der ähnlichen chemischen Zusammensetzung der Werkstoffe Grauguss und GGV ist es nicht verwunderlich, dass in beiden Werkstoffen ähnliche Reaktionen zu finden sind.Bei der Untersuchung des oxidativen Verhaltens der PCBN-Schneidplatten konnte eine signifikante, absolute Massezunahme der Schneidplatten unter Sauerstoffeinfluss ab einer Temperatur von etwa 800°C beobachtet werden. Isolierte Untersuchungen der CBN-Körner lassen eine Oxidation des CBN ab einer Temperatur von etwa 400 °C erkennen. Ab dieser Temperatur kann N2O im Massenspektrometer detektiert werden. Diese Massenreduktion wird durch eine Oxidation der Binderphase des PCBN-Schneidstoffs überkompensiert, woraus die Gesamtmassenzunahme der PCBN-Schneidplatten resultiert.In diesem Zusammenhang wurde auch die Temperatur bei der Zerspanung untersucht. Analog zum Anstieg der Schnittkräfte von Grauguss gegenüber GGV von etwa 20%, und somit einer im gleichen Maße gestiegenen Leistungs- und damit Energieaufnahme, steigen die Temperaturen bei der Zerspanung ebenfalls an. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Zerspantemperatur ist aber deutlich dominanter als der Unterschied, der sich durch den Wechsel von Grauguss auf GGV ergibt.Standwege von Fräsern sind um etwa 50% kürzerDie Untersuchung der Spanformungszone ergab bei Grauguss ein deutlich spröderes Verhalten. Dies ist nicht weiter verwunderlich, weil Grauguss auch eine deutlich kleinere Bruchdehnung (etwa 0,2%) im Vergleich zu GGV (Bruchdehnung zirka 2 bis 5%) aufweist.All diese Untersuchungen können einen Standwegunterschied von etwa 50%, wie er etwa beim Fräsen oder Bohren auftritt, erklären, nicht aber den rapiden Abfall der Standwege bei der Zylinderbohrungsbearbeitung, also bei der Zerspanung von GGV bei hohen Schnittgeschwindigkeiten im kontinuierlichen Schnitt. Dieser Unterschied hat andere Ursachen.Betrachtet man bei der GG-Bearbeitung die Schneidecke einer Schneidplatte bei einer Schnittgeschwindigkeit von 800 m/min, so erkennt man die Bildung eines Belags auf der Span- und Freifläche. Diese Belagbildung tritt nicht bei einer unter gleichen Parametern erfolgten GGV-Bearbeitung auf.Untersuchungen mittels Elektronenstrahlmikrosonde ergeben eine starke Abhängigkeit der Belagbildung von der Schnittgeschwindigkeit. Bei der Bearbeitung von Grauguss zeigen sich ab einer Schnittgeschwindigkeit von 400 m/min deutliche Anreicherungen von Mangan und Schwefel auf der Spanfläche. Diese Anreicherung nimmt mit steigender Schnittgeschwindigkeit zu. Vergleicht man demgegenüber die Spanfläche einer zur GGV-Bearbeitung eingesetzten PCBN-Schneidplatte, so kann hier in keinem Fall eine Anreicherung von Mangan in Verbindung mit Schwefel auf der Spanfläche festgestellt werden. Einzelne Stellen, an Mangan auf der Spanfläche detektiert werden kann, korrelieren mit Eisen-Signalen. Sie ergeben sich also aus Manganspuren, die in anhaftenden Werkstoffpartikeln enthalten sind. Die Anzahl der anhaftenden Partikel auf der Spanfläche verhält sich in umgekehrter Relation zur Bildung des Belags. Dies lässt den Schluss zu, dass als Folge der Belagbildung eine Verringerung der Anzahl anhaftender verschleißfördernder Partikelanhaftungen auftritt.Während normalerweise, wie auch bei GGV oder GGG, der Standweg mit steigender Schnittgeschwindigkeit abfällt, steigt dieser dagegen bei Grauguss an. Grund dafür ist die Bildung des Belags, der mittels röntgeninduzierter Photoelektronenspektrometrie eindeutig als Mangansulfid nachgewiesen werden konnte.GGV und GGG werden durch eine Zulegierung mit Magnesium, das zur Ausbildung der vermikularen oder globularen Graphitstruktur notwendig ist, erzeugt. Um eine gleichmäßige Reaktion mit Magnesium zu gewährleisten, muss das jeweilige Basiseisen einen im Vergleich zu Grauguss deutlich reduzierten Schwefelgehalt von 0,01% aufweisen (Schwefelgehalt Grauguss 0,1%). Noch vorhandene Spuren von Schwefel reagieren dann mit dem zulegierten Magnesium, da dieses eine deutlich größere Affinität zu Schwefel aufweist als Mangan. Daher kann sich also bei der Zerspanung beider Werkstoffe keine Schicht aus Mangansulfid ausbilden.Niedrige Schnittgeschwindigkeit verlängert StandwegUm die Wirksamkeit der Mangansulfidschicht nachzuweisen, wurde ein Gusseisen mit einem auf das Niveau von GGV reduzierten Schwefelgehalt gegossen. Bei dem anschließenden Bearbeitungsversuch fallen die Standwege bei hohen Schnittgeschwindigkeiten annähernd auf die Standwege von GGV ab. Diese drastische Verminderung des Standwegs ergibt sich also durch eine Verringerung des Schwefelgehalts und unterscheidet sich nur deshalb vom Standweg bei der GGV-Zerspanung, weil dieser niedrigschwefelhaltige Grauguss verringerte mechanische Eigenschaften im Vergleich zu GGV aufweist. - Zur Erzielung höherer Standwege ergeben sich folgende Möglichkeiten:Wird die Schnittgeschwindigkeit reduziert, so erhöhen sich die Standwege bei der GGV- und auch bei der GGG-Zerspanung. - Im unterbrochenen Schnitt lassen sich bei der GGV-Bearbeitung an der Steigerung der mechanischen Eigenschaften orientierte Standwege erzielen. Die Bearbeitung der Zylinderbohrungen stellt eine Engpassoperation auf Transferstraßen dar. Bei Taktzeiten von 25 s bleiben für die reine Bearbeitung nur noch etwa 14 s. Die Zylinderbohroperationen werden in mehrere Schritte unterteilt. Beim Schruppen wird die Gusshaut entfernt, es folgt meist ein Semifinish-, dann eine Finish-Operation. Anschließend werden die Motorblöcke gehont.Werkzeuge, die im unterbrochenen Schnitt arbeiten, werden von Sandvik und Rotary angeboten. Sandvik bearbeitet dabei die Zylinderbohrung durch Zirkular-Fräsen. Das Werkzeug von Rotary zeichnet sich durch drehbar gelagerte SiN-Wendeschneidplatten aus und erzeugt damit einen quasi unterbrochenen Schnitt. Es kann bei gleichen Parametern, wie sie momentan in der GG25-Produktion verwendet werden (Schnittgeschwindigkeiten 800 m/min), eingesetzt werden. Werkzeuge zum Fräsen von GGV sind prozesssicherDie Mehrschneidenwerkzeuge, wie sie von Ingersoll, Kennametal und Komet angeboten werden, arbeiten mit relativ niedrigen Schnittgeschwindigkeiten im kontinuierlichen Schnitt, kompensieren aber die niedrigen Schnittgeschwindigkeiten (etwa 100 m/min) durch eine erhöhte Zähnezahl und damit erhöhten Vorschub. Somit erreichen auch diese Werkzeuge die geforderten Taktzeiten von maximal 14 s. Die einzelnen Werkzeuge unterscheiden sich durch die Aufteilung der jeweiligen Schnitttiefen. So können die Schneiden auch auf zwei Flug-Durchmessern angeordnet werden, um in einer Vorschruppoperation die Gusshaut zu entfernen und dann mit den nächsten Schneiden die gewünschte Geometrie bei guten Standwegen zu erzeugen. Werkzeuge, deren Schneiden auf einem Durchmesser angeordnet sind, ermöglichen demgegenüber höheren Vorschub.Zum Schlichten der Zylinderbohrungen bieten Komet und Mapal Mehrschneiden-Werkzeuge. Bei den geforderten Rauigkeitswerten von Rz = 15 bis 25 µm können damit Rundheiten um 10 µm bei Standzeiten von über 1500 Bohrungen erreicht werden. Es konnten sowohl beim Schruppen als auch beim Schlichten der Zylinderbohrungen deutlich mehr als die für eine Schicht erforderlichen 500 bis 800 Zylinderbohrungen bei vorgegebenen Taktzeiten erreicht werden. Die Engpassoperation Zylinderbohren stellt somit heute kein Hindernis mehr für die Großserieneinführung von GGV für Motorblöcke dar.Das Fräsen von GGV stellte sich schon bei dem ersten zusammen mit Opel durchgeführten Transferstraßentest als weniger kritisch heraus. Die Standwege fielen auf etwa 50% durch die erhöhten mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs GGV im Vergleich zu Grauguss ab.Für das Fräsen mit GGV sollten beim Schneidstoff Hartmetall Schnittgeschwindigkeiten von etwa 100 m/min gewählt werden. Im Gegensatz zum Zylinderbohren sind beim Fräsen jedoch akzeptable Standwege bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu erreichen. Kennametal schlägt für den Einsatz hoher Schnittgeschwindigkeiten die Verwendung von SiN-Keramik bei Schnittgeschwindigkeiten von 500 bis 700 m/min vor. Das Fräsen von GGV ist deshalb zum jetzigen Stand der Technik als unkritisch einzustufen.Beim Tieflochbohren können Probleme auftretenEbenso wie beim Fräsen ergeben sich beim Bohren von GGV weniger Probleme. Beim Trockenbohren von GGV sind etwa 70% der Standwege, bei Verwendung von KSS etwa 60% der Standwege im Vergleich zu Grauguss zu erwarten. Als Schnittgeschwindigkeit werden 70 m/min bei einem Vorschub von 0,2 mm vorgeschlagen. Das Bohren sollte vorzugsweise mit TiAlN-beschichteten Vollhartmetall-Bohrwerkzeugen erfolgen. Die Standwege bewegen sich dann im Bereich von 2500 (nass) bis 5000 (trocken) Bohrungen (d = 7,5 mm, t = 30 mm). Werden Schnittgeschwindigkeiten von 40 m/min gewählt, wie sie durchaus auch in Transferstraßen anzutreffen sind, so ist mit Standmengen bis zu 10 000 Bohrungen zu rechnen.Beim Tieflochbohren können allerdings Probleme auftreten. Weil viele Tieflochbohrer schon in Grauguss an der Grenze ihrer Belastbarkeit gefahren werden, kann es beim Umstieg auf einen höherfesten Werkstoff zu Problemen kommen. Demgegenüber sind beim Gewindebohren oder Gewindefräsen keine Probleme zu erwarten. Die Standwege der Gewindebohrer bei GGV liegen im Bereich von bis zu 20 000 Gewinden.