Hartdrehen statt Schleifen

HSS-Werkzeuge lassen sich mit PCBN-Schneidstoffen flexibel, wirtschaftlich und funktionsgerecht hartbearbeiten. Schnellarbeitsstähle (HSS High Speed Steel) werden auf Grund ihrer überlegenen...

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HSS-Werkzeuge lassen sich mit PCBN-Schneidstoffen flexibel, wirtschaftlich und funktionsgerecht hartbearbeitenSchnellarbeitsstähle (HSS High Speed Steel) werden auf Grund ihrer überlegenen Zähigkeit vielfach in der spanenden Fertigung eingesetzt. Wegen dieser Eigenschaft ist der Schnellarbeitsstahl prädestiniert für Werkzeuge mit scharfen Schneidkanten und kleinen Keilwinkeln [1]. Hauptanwendungsgebiete sind beispielsweise Fräser, Spiral- und Gewindebohrer, Reibahlen, Metallsägen und Räumwerkzeuge. Zerspanwerkzeuge aus Schnellarbeitsstahl werden auf Grund der hohen Anforderung an die Form- und Maßgenauigkeit sowie der Oberflächengüte nach dem Härten des Halbzeuges schleifend fertig bearbeitet. Die Schleifbearbeitung macht einen hohen Anteil der Herstellkosten aus. Eine Möglichkeit, die Fertigung von HSS-Werkzeugen wirtschaftlicher und flexibler zu gestalten bietet die Substitution des Schleifens durch die Hartbearbeitung mit definierter Schneide. Darüber hinaus ermöglicht dies den Verzicht auf Kühlschmierstoffe, deren Einsatz zunehmende Kosten verursacht. Vor diesem Hintergrund beschäftigt sich der Arbeitsbereich Fertigungstechnik I der TU Hamburg-Harburg mit der Hartbearbeitung von Schnellarbeitsstahl, wobei bislang das Hartdrehen mit polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) im Vordergrund stand. Die Zerspanuntersuchungen wurden auf einer numerisch gesteuerten Schrägbettdrehmaschine durchgeführt. Es wurden Wendeschneidplatten TNGN 160408 unter einem Neigungswinkel von ls = -4° und einem Spanwinkel von go = -6° eingesetzt. Bearbeitet wurde der Schnellarbeitsstahl HS 6-5-2-5 (Werkstoff-Nummer 1.3243), der unter anderem für Dreh- und Hobelmeißel, Fräser, Spiral- und Gewindebohrer eingesetzt wird. Der Schnellarbeitsstahl wurde gehärtet und zweifach angelassen, was eine Härte von 65 HRC ergab.Bei der Auswahl der Schneidstoffe waren die besonderen mechanischen und thermischen Belastungen des Hartdrehens von Schnellarbeitsstahl zu beachten. Im Vergleich zu gehärteten Einsatz- und Vergütungsstählen, für die umfangreiches Zerspanungswissen existiert [2], zeichnet sich Schnellarbeitsstahl durch eine im Bereich von etwa 550 bis 600 °C deutlich höhere Warmhärte und Anlassbeständigkeit aus, die ihre Hartbearbeitung erschwert, aber auch eine geringere Gefahr der thermischen Randzonenschädigungen erwarten lässt.Die Hartbearbeitung von Schnellarbeitsstahl mit definierter Schneide erfordert eine besonders hohe Verschleißfestigkeit und Bruchzähigkeit des PCBN-Schneidstoffes [3], weil die Karbide sowohl abrasiven Verschleiß als auch hohe Spannungsspitzen hervorrufen. Für diese Untersuchungen wurden exemplarisch drei PCBN-Sorten ausgewählt, die variable CBN-Anteile und unterschiedliche Bindephasen aufweisen (Tabelle 1). Daraus ergeben sich für die PCBN-Schneidstoffe unterschiedliche Härten, Bruchzähigkeiten und Wärmeleitfähigkeiten.Im Hinblick auf die Zerspankräfte, den Werkzeugverschleiß sowie die erzielbare Werkstückqualität hat außerdem die Schneidengeometrie einen entscheidenden Einfluss. Daher wurden sowohl gefaste und verrundete sowie nur gefaste Schneidplatten erprobt. Tabelle 2 zeigt die Schneidengeometrien.Weil die Hartbearbeitung von Schnellarbeitsstahl der Beseitigung von Härteverzügen beziehungsweise dem (Nach-)Profilieren der Schneiden dient, werden kleine Spanungsdicken angewendet. Drehversuche erfolgten mit arbeitsscharfen PCBN-Werkzeugen bei Schnittparametern von ap = 0,1 mm, f = 0,05 mm sowie vc = 100 m/min. Unter Berücksichtigung des Eckenradius beträgt die maximale effektive Spanungsdicke hmax = 0,023 mm. Erwartungsgemäß ist die Passivkraft stets die größte Zerspankraftkomponente (Bild 1a). Die Gegenüberstellung von Spanungsquerschnitt und der variablen Schneidengeometrie (Bild 1b bis 1d) dient zur Erläuterung der unterschiedlichen Passivkräfte: Die Passivkraft erhöht sich extrem, wenn die Zerspanung ausschließlich im Bereich der Verrundung (S2: rn = 30 µm), das heißt bei stark negativem effektiven Spanwinkel erfolgt. Weiterhin nehmen mit sinkendem CBN-Anteil alle Zerspankraftkomponenten geringfügig ab. Bei den gewählten Schnittparametern hat die Fasenbreite T1: bg = 0,1 mm oder T2: bg = 0,2 mm keinen Einfluss auf die Zerspanung. Bild 2 stellt anhand der Passivkraft den Einfluss von Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und Schnitttiefe bei variablen Schneidengeometrien dar. Neben der Schneidengeometrie ,,S2" wurden zusätzlich gefaste (T) und scharfkantige (F) Schneiden eingesetzt. Es zeigt sich, dass die Passivkraft mit Zunahme der Schnitttiefe deutlich, mit Zunahme von Vorschub und Schnittgeschwindigkeit leicht ansteigt. Demnach haben Schneidengeometrie und Schnitttiefe gegenüber Vorschub und Schnittgeschwindigkeit einen dominierenden Einfluss auf die Passivkraft.In Relation zum Hartdrehen von Einsatz- und Vergütungsstählen sind die Passivkräfte beim Schnellarbeitsstahl höher [4 und 5]. Um hohe Maßgenauigkeiten müssen bei der HSS-Hartbearbeitung möglichst gleichmäßige und geringe Schlichtaufmaße angestrebt werden. Auch sind sehr steife Werkzeugmaschinen erforderlich. Obwohl gering oder unverrundete Schneiden zu einem niedrigeren Kraftniveau führen, kann es im Hinblick auf die angestrebten hohen Oberflächengüten notwendig sein, mit verrundeten PCBN-Schneiden zu arbeiten sowie eine der Verrundung entsprechende freiflächenseitige Reibzone in Kauf zu nehmen. Die Rauheit wird im Wesentlichen durch den Vorschub und den Eckenradius des Werkzeuges bestimmt. Doch hat auch die Schneidengeometrie einen Einfluss auf die Rauheit (Bild 3). Während die gemessenen Rauheiten Rz bei kleinen Vorschüben deutlich höher als die theoretische Rautiefe sind, nähern sie sich mit steigendem Vorschub dieser an. Dabei weisen gefaste und verrundete Schneiden (S) im Vergleich zu ausschließlich gefasten Schneiden (T) wegen geringerer Schneidenschartigkeit niedrigere Rauheiten auf. Bei sehr geringen Vorschüben kann es zu nicht reproduzierbaren Rauheiten kommen. Verantwortlich dafür sind Schwingungen sowie plastische Materialverdrängungseffekte (,,Pflügen") bei Unterschreitung der Mindestspanungsdicke.Zum Bestimmen des Verschleißverhaltens wurden Freiflächen- und Spanflächenverschleiß untersucht. Mit dem Ziel, die Standzeit in Abhängigkeit der produktivitätsbestimmenden Größen beim Schlichtdrehen von Schnellarbeitsstahl festzustellen, wurden Verschleißversuche an einer verrundeten PCBN-Schneidplatte bei Variation von Vorschub und Schnittgeschwindigkeit durchgeführt. Dabei wurden neben den Standardwerten f = 0,05 mm und vc = 100 m/min, die den zuvor erläuterten Ergebnissen zugrunde liegen, angehobene Werte f = 0,08 mm und vc = 125 m/min gewählt. Als Standzeitkriterium wurde eine Verschleißmarkenbreite von VB = 200 µm festgelegt. Verglichen mit der Hartbearbeitung schwingbelasteter Bauteile aus Einsatzstahl [6] ist dieser höhere Grenzwert bei der HSS-Hartbearbeitung vertretbar, weil auf Grund der Anlassbeständigkeit von Schnellarbeitsstahl und bestätigt durch Randzonenanalysen an hartgedrehten HSS-Werkstücken Randzonenveränderungen von wesentlich geringerer Bedeutung sind.Wie Bild 4 zu entnehmen ist, liefern die beiden f-vc-Kombinationen Schnittwege von 1600m oder 400 m und entsprechende Standzeiten von 16 min oder 4 min. Demnach sind in Anlehnung an diese Kombinationen von Vorschub und Schnittgeschwindigkeit wirtschaftliche Standzeiten erreichbar. Weiterhin wurde das Verschleißverhalten unterschiedlicher Schneidstoffe und Schneidengeometrien verglichen. Nach Bild 5(Bild 5 und 6 sind aus Platzgründen nur im Internet) kann der Freiflächenverschleiß durch Optimierung von Schneidstoff und Schneidengeometrie reduziert werden. So zeigt die Schneidplatte BN 50 S1, die eine geringere Verrundung sowie bei gleichem CBN-Gehalt eine härtere TiC-basierte Bindephase besitzt [7], ein deutlich geringeres Verschleißwachstum. Darüber hinaus wurde in Stichversuchen Mischkeramik (Al2O3 + TiC) zum Hartschlichtdrehen dieses HSS-Werkstoffs eingesetzt [8]. Sie erzielte ein sehr günstiges Verschleißverhalten bei genügender Zähigkeit. Daraus ist zu folgern, dass auch die gegenüber PCBN kostengünstigeren Mischkeramik-Schneidstoffe prinzipiell in Betracht kommen.Als eine entscheidende Voraussetzung dafür, die Hartbearbeitung mit definierter anstatt mit undefinierter Schneide durchführen zu können, muss stets sichergestellt werden, dass ein gleichwertiges Bauteilverhalten erreicht wird. Diese Frage lässt sich nur anhand der jeweiligen Bauteilbeanspruchung klären [6]. Um die Funktionseigenschaften von HSS-Werkzeugen, die mit definierter Schneide hartbearbeitet wurden, zu erproben, wurden runde HSS-Schneidplatten hartgedreht und auf einem Torusfräser beim Stirnplanfräsen des Vergütungsstahls 42CrMo4V eingesetzt. Verglichen mit geschliffenen HSS-Referenzplatten wurden durch Hartdrehen vergleichbare Schneidenrundungen von 10 bis 15 µm erreicht. Bild 6 belegt, dass HSS-Schneidplatten, die mit arbeitsscharfen PCBN-Schneidplatten hartgedreht wurden, ein zu geschliffenen HSS-Schneidplatten ebenbürtiges Verschleißverhalten erzielen. Weitere Versuche zeigten, dass sich abhängig vom PCBN-Schneidstoff, dessen Schneidengeometrie, dessen Verschleißzustand sowie vom Hartdreh-Vorschub beim Fräsen mit den hartgedrehten HSS-Schneidplatten ein um bis zu 20% steilerer Anstieg der Verschleißmarken- und Kolktiefenverläufe ergibt.Die Untersuchungen sollen aufgrund der positiven Erfahrungen auch auf andere Hartbearbeitungsverfahren und HSS-Werkzeuggeometrien ausgedehnt werden.Literatur[1]König, W., und F. Klocke: Fertigungsverfahren: Drehen, Fräsen, Bohren. Berlin, Heidelberg, New York: Springer 1999.[2]N.N.: Hartdrehen: Eisbrecherbericht. Frankfurt: Forschungsvereinigung Antriebstechnik 2000.[3]König, W., M. Iding, und R. Link: Feindrehen und Bohren gehärteter Stahlwerkstoffe. Industrie Diamanten Rundschau 1989/1, S. 22-33.[4]Koch, K.-F.: Technologie des Hochpräzisions-Hartdrehens. Dissertation RWTH Aachen 1996.[5]Tönshoff, H.K., D. Brandt, und H.-G. Wobker: Hartbearbeitung aus Sicht der Forschung. VDI-Bericht 988, S.189-209, Düsseldorf: VDI 1993.[6]Tönshoff, H.K., B. Karpuschewski, und C. Borbe: Hartbearbeitung: Stand der Forschung. VDI-Bericht 1399, S. 253-277, Düsseldorf: VDI1998.[7]König, W., und A. Neises: Hartbearbeitung mit PKB - Auf den Schneidstoff kommt es an. Industrie Diamanten Rundschau 1995/2, S. 108-117[8]Claussen, N., W. Hintze, R. Janßen, N. Durlu, und A. Püschel: Reaction Sintering of Alumina-Based Cutting Tools. Int. Workshop ,,Mikromechanik mehrphasiger Werkstoffe". TU Hamburg-Harburg, Sonderforschungsbereich 371, 2001.