Werkzeugmaschinen „Harte“ Brocken

Die Vorteile von Nichteisen-Metallen bei Extrembelastung sind in der Zerspanung oft problematisch. In der Regel helfen nur harte Schneidstoffe und reduzierte Schnittparameter weiter. Außerdem sind aufgrund der zum Teil hohen chemischen Reaktivität besonderen Maßnahmen zu ergreifen.

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Was in der Anwendung von Vorteil ist, kann in der Fertigung das Scheitern der Umsetzung bedeuten. So bieten Nichteisen-Metalle als Stahlersatz die Möglichkeit zur Gewichtseinsparung, Erhöhung der mechanischen, thermischen oder chemischen Belastbarkeit. Beim Zerspanen sind diese Eigenschaften zum Teil problematisch. Auch daher kamen Werkstoffe wie Formgedächtnislegierungen, Titan-Aluminide und MMC’s (Metal Matrix Composites) wenig über das Forschungsstadium hinaus. Wie weitere Leichtmetall-Legierungen auf Magnesium- und Titanbasis gelten sie als schwer zerspanbar.Magnesium ist sogar in der Verordnung für Gefahrstoffe aufgeführt. Der Grund dafür liegt in der hohen Oxidationsneigung. Kommt es zur Reaktion mit Sauerstoff, heizt sich der Werkstoff auf. Die Brand- und Explosionsgefahr ist hoch. Bei Kontakt mit Wasser kann auch Wasserstoff freigesetzt und eine Knallgasreaktion ausgelöst werden. Zur Nassbearbeitung von Magnesiumlegierungen sind daher Kühlschmierstoffe nötig, die das hohe Reaktionsvermögen des Metalls unterdrücken. Dagegen ist bei der Trockenzerspanung eine Knallgasreaktion ausgeschlossen. Dafür wird die Wärme nur über die Späne übertragen. Ansammlungen heißer Späne sind sehr gefährlich. So muss bei der Trockenzerspanung von Magnesiumlegierungen für einen schnellen Spanabfluss gesorgt werden. Außerdem darf der abgesaugte Feinstaub im Trockenfilter keine Explosionsgefahr bilden. „Wäre das der Fall, hätte man die Gefahr nur von der Werkzeugmaschine in den Filter verlagert“, sagt Dipl.-Ing. Hans Bonk, Sachverständiger bei der Total Walther Feuerschutz GmbH, Köln, die Ausstattungen wie Löschsysteme für die Magnesiumbearbeitung bereithält, damit diese sicher ist. Generell bietet aber auch der Prozessablauf beim Zerspanen Möglichkeiten, Gefahren zu vermeiden.Fehlende Standardprogramme infolge weniger AnwendungenGerade für eine sichere Magnesiumbearbeitung wurden immer wieder Projekte an Forschungsinstituten aufgelegt, an denen sich Maschinenbauer und Werkzeughersteller beteiligten. So brachte sich der Werkzeughersteller Gühring, Albstadt, beim Projekt Ecosystems im Bereich der Spanbildung und -entsorgung ein. In diesem Rahmen wurden Versuchswerkzeuge dem Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre (WZL) der RWTH Aachen zur Verfügung gestellt. Viel Erfahrung in Sachen Magnesiumbearbeitung hatte sich Gühring schon zuvor im Automobilbau bei der Fertigung eines Getriebegehäuses erarbeitet, wobei alle für rotierende Zerspanwerkzeuge relevante Verfahren angewandt wurden: Bohren, Reiben, Gewindeschneiden und Fräsen.Generell ist das Zerspanen von Magnesiumlegierungen in der Serienfertigung noch wenig verbreitet. Daher haben Werkzeughersteller wie Gühring noch kein Standard-Produktprogramm für diese Werkstoffe geschaffen. Für die Magnesiumbearbeitung bieten sie Sonderwerkzeuge an. Das ist auch bei anderen Metall-Legierungen der Fall, die bisher wenig Eingang in die Zerspanung fanden. Dazu zählt man bei Gühring Titan-Aluminide, Formgedächtnislegierungen und MMC’s – etwa Composites mit Magnesiummatrix und Faser- oder Partikelverstärkung. „Diese Verbundwerkstoffe sind mit Werkzeugen bearbeitbar, die besonders abrasionsbeständige Schneiden haben“, so Ulrich Poestgens, Pressereferent der Gühring OHG.Als Schneidstoffe kommen dabei beschichtete Hartmetalle und polykristalliner Diamant (PKD) in Betracht. Auf sie wird häufig beim Zerspanen harter Werkstoffe verwiesen, die bei Werkzeugen einen hohen Verschleiß bewirken. Aber auch für Magnesiumlegierungen – etwa der Legierung AZ 91 HP, die laut Poestgens relativ leicht mit hohen Schnittparametern zerspanbar ist – werden häufig PKD-bestückte Werkzeuge verwendet. Die damit erreichbaren Standwege seien enorm und die Oberflächengüten ausgezeichnet.Demgegenüber sind Titanaluminide, Formgedächtnislegierungen und MMC’s immer wieder eine Herausforderung für die Zerspanung. So ist es bei Titanaluminiden hohe Festigkeit, Härte und Sprödigkeit, die diese intermetallischen Legierungen schwer zerspanen lassen ] ähnlich der Bearbeitung von Molybdän, so die Erfahrung am Forschungszentrum GKSS, Geesthacht. Daher geht man am GKSS „mit entsprechender Vorsicht“ die einzelnen Verfahren an, wie Dr. Fritz Appel, Leiter der Abteilung Werkstoffphysik am Institut für Werkstoffforschung des GKSS berichtet. Gedreht, gefräst und gebohrt werde dort nur mit scharfen Werkzeugen und relativ niedriger Schnittgeschwindigkeit (Tabelle). Auf diese Weise entstand durch Drehen beispielsweise ein M6-Gewinde.Bei Formgedächtnislegierungen ist es die hohe Duktilität, die das Zerspanen erschwert – zumindest bei Legierungen auf Nickel-Titan-Basis, die das größte „Gedächtnis“ für mechanische Effekte haben. Sie wurden am Institut für spanende Fertigung der Universität Dortmund hinsichtlich der Bearbeitbarkeit „unter die Lupe“ genommen. Deutlich sichtbar ist laut Institutsmitarbeiter Dipl.-Ing. Volker Petzoldt eine vermehrte Gratbildung aufgrund der hohen Duktilität. Diese „Pseudoplastizität“ bewirke etwa beim Schleifen, dass sich häufig der Abtrag nicht vom Werkstück trennen lasse. „Er wird aus der Eingriffszone des Werkzeugs geschoben und verbleibt am Werkstück als Grat“, erläutert Petzoldt. Werkstoffmodifizierung als weiterer LösungsansatzMetallegierungen auf Nickel-Titan-Basis neigen zur Kaltverfestigung bei plastischer Verformung. Das erhöht den Werkzeugverschleiß, trotz niedriger Schnittparameter. Sogar bei hochwertigen Schneidstoffen bleiben die Werkzeugstandzeiten kurz. Zu ähnlichen Ergebnissen kommt man auch am Institut für Werkstoffe der TU Braunschweig. Dort wurden im Zuge des DFG-Projekts „Spanen metallischer Werkstoffe mit hohen Geschwindigkeiten“ Möglichkeiten zur besseren Bearbeitung der Titanlegierung Ti6Al6V4 erforscht. Bei Titanlegierungen sind die Schwierigkeiten gleich dreifach vorhanden. Mechanisch ist es die hohe Festigkeit, Härte und Sprödigkeit, die den Werkzeugverschleiß steigen lassen. Die chemische Reaktivität von Titan schränkt die Auswahl an Schneidstoffen ein. Außerdem führt sie zur Bildung von Aufbauschneiden. Thermisch betrachtet, ist Titan ein schlechter Wärmeleiter. So wird die beim Spanen anfallende Wärme vor allem ins Werkzeug geleitet und nicht mit dem Span abgeführt. Das erhöht die thermische Belastung des Werkzeugs. Daher kann es zu Ausbrüchen an der Schneide kommen. Aufgrund dieser komplexen Problematik hatte man am Institut im Zuge des DFG-Projekts einen neuen Lösungsansatz parat, wie Dipl.-Ing. Carsten Siemers, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Werkstoffe offenbart. Nicht das Werkzeug, sondern der Werkstoff wurde modifiziert. So bewirkt Wasserstoff als neues temporäres Legierungselement, die Schnittkräfte zu verringen. Ein um bis zu 50% niedriger Werkzeugverschleiß ist die Folge. Lanthan als weiteres Element erzeugt einen kurz brechenden Span, ähnlich dem bei Automatenstählen. Infolge der Modifizierung entstand eine Werkstoffklasse mit dem Namen „Automatentitan“. Derzeit werden die Eigenschaften der modifizierten Legierung Ti6Al6V4 untersucht.