Schwefelarme Stähle heiß zerspanen

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Mit der Werkstücktemperatur steigt der Werkzeugverschleiß.

Mit Erhöhung der Werkstücktemperatur steigt, trotz der Reduzierung der Schnittkraft, der Werkzeugverschleiß. Eine Erklärung dafür ist einerseits die gute Zerspanbarkeit des Werkstoffes im weichen ferritisch-perlitischen Gefügezustand bei Raumtemperatur und anderseits die steigende thermische Belastung des Werkzeugs beim Erhöhen der Werkstücktemperatur. Eine höhere Werkstücktemperatur bringt keine Vorteile für die Zerspanung der Werkstoffe im weichen Zustand, weil die Reduzierung der mechanischen Belastung weniger Einfluss gegenüber der steigenden thermischen Belastung hat.

Die Ergebnisse bestätigen damit den vorteilhaften Einsatz der Heißzerspanung bei schwer zerspanbaren Werkstoffen, womit deutliche Vorteile durch die Reduzierung der zu hohen mechanischen Belastung bei Raumtemperatur erzielt werden können.

Die ermittelte Spanform bei vier verschiedenen Werkstücktemperaturen bestätigt die Tendenz zu längeren Spänen mit der Reduzierung des Schwefelgehalts (Bild 4). Bei Raumtemperatur bilden sich relativ unabhängig vom Schwefelanteil für beide Chargen im untersuchten Schnittparameterbereich kleine brauchbare Scherspäne, wobei beim Schwefelgehalt von 0,011 % die Scherspäne teilweise zusammengeschweißt sind. Der Schwefeleinfluss wird mit der Erhöhung der Werkstücktemperatur deutlicher.

Wärme bei Heißzerspanungverhindert Spanbruch

Die Spanform beim AFP-Stahl mit dem Schwefelgehalt von 0,063 % bleibt nahezu unverändert mit dem Unterschied, dass mit höherer Werkstücktemperatur die Scherspäne in längeren Ketten zusammenhängen, weil die Wärme bei der Heißzerspanung den vollständigen Spanbruch verhindert. Diese Tendenz ist beim Werkstoff mit reduziertem Schwefelgehalt nur noch bis 300 °C zu erkennen. Bei 400 und 500 °C ändert sich die Spanform in schraubenförmige lange Spiralspäne.

Zusammenfassend sind die Vorteile der Heißzerspanung auch auf schwefelarme Stähle übertragbar. Eine Erhöhung der Werkstücktemperatur reduziert die Schnittkraft um bis zu 25 % genauso wie beim Bearbeiten des Werkstoffs mit sechsfachem Schwefelgehalt. Bezüglich des Werkzeugverschleißes und der Spanbildung wird der Einfluss der Werkstücktemperatur durch den Schwefel deutlich verstärkt. Längere Späne und hoher Werkzeugverschleiß sind genauso bei der Heißzerspanung schwefelarmer Stähle wie bei der konventionellen Zerspanung zu erwarten. Die optimale Bearbeitungstemperatur wird bei der Reduzierung des Schwefelanteils im AFP-Stahl auf einen kleineren Bereich eingeschränkt, wodurch sich die Auswahl von optimalen Bearbeitungsbedingungen erschwert.

Zudem bestätigen die Ergebnisse, dass die Heißzerspanung nur für die Werkstoffe mit hoher mechanischer Belastung bei Raumtemperatur, wie schwer zerspanbare oder gehärtete Werkstoffe, sinnvoll ist, da bei der Zerspanung im weichen Zustand das Werkzeug thermisch erheblich mehr beansprucht wird, wodurch die reduzierte mechanische Belastung überkompensiert wird. MM

Literatur

[1] Kohlhaas, E.; Jung, O. und D. Schuler: Heißzerspanung von Stählen und einer hochwarmfesten Nickellegierung. Arch. Eisenhüttenwes. 45, Nr. 7, (1974), S. 475-481.

[2] Brecher, C. und C. J. Rosen: Laserunterstützte Zerspanung. Laser, Entwicklung und industrielle Anwendung, Sonderheft: Europäischer Lasermarkt, (2010), S. 42-44 und S. 46-47.

[3] Knorr, W.: Bedeutung des Schwefels für die Zerspanbarkeit der Stähle unter Berücksichtigung ihrer Gebrauchseigenschaften. Stahl und Eisen 97 (1977), S. 417-424.

[4] Tönshoff, H. K. und O. Berthold: Zerspanbarkeit von AFP-Stählen mit unterschiedlichem Schwefelgehalt. Tagung: Nichtmetalle in Metallen, DGM Informationsgesellschaft Verlag, (1996), S. 25-34.

* Dipl.-Ing. Fedor Egorov ist wissenschaftlicher Mitarbeiter und Prof. Dr.-Ing. habil. Dr.-Ing. E. h. Ekkard Brinksmeier ist Leiter der Hauptabteilung Fertigungstechnik an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT) in Bremen. Die Autoren danken dem BMWi, der AiF, der IGF, der AWT, der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V. (FOSTA) und der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e. V. (FSV) für die Förderung und Begleitung der Projektarbeiten.

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