Drehen Werkstoffe beeinflussen Spanbildung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten

Autor / Redakteur: Jens Sölter und Griet Reucher / Bernhard Kuttkat

Die Spanbildung und die Abhängigkeit der Prozesskräfte von der Schnittgeschwindigkeit werden stark durch den Werkstoff und den Wärmebehandlungszustand des Werkstücks beeinflusst. Außer thermischen und mechanischen Werkstoffeigenschaften entscheiden die Mikrostruktur und die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs, ob eine Spansegmentierung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten einsetzt.

Firmen zum Thema

Ob bei HSC-Bearbeitung ein Absinken der Zerspankraft auftritt, ist vom Werkstoff abhängig. Deshalb muss nicht notwendigerweise mit hohen Schnittgeschwindigkeiten gearbeitet werden, um geringere Prozesskräfte und damit kleinere Formabweichungen zu erzielen. Bild: IWT
Ob bei HSC-Bearbeitung ein Absinken der Zerspankraft auftritt, ist vom Werkstoff abhängig. Deshalb muss nicht notwendigerweise mit hohen Schnittgeschwindigkeiten gearbeitet werden, um geringere Prozesskräfte und damit kleinere Formabweichungen zu erzielen. Bild: IWT
( Archiv: Vogel Business Media )
Bild 1: Charakteristika der Hochgeschwindigkeitszerspanung [1]. (Archiv: Vogel Business Media)

Die Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) zeichnet sich im Vergleich zur konventionellen Zerspanung durch hohe Schnittgeschwindigkeiten sowie durch ein hohes Zeitspanvolumen aus. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit ist für viele Werkstoffe ein Absinken der Schnittkraft zu beobachten (Bild 1) .

HSC-Definition hängt vom Werkstoff ab

Die Grenzschnittgeschwindigkeit, ab der HSC-Bedingungen vorliegen, ist in der Literatur nicht einheitlich definiert. Für einzelne Werkstoffgruppen existieren jedoch Angaben in Form von Schnittgeschwindigkeitsbereichen, die auf Erfahrungswerten basieren [1].

Bild 2: Ermittlung der Schnittgeschwindigkeit vhsc aus dem Schnittkraftverlauf. (Archiv: Vogel Business Media)

Ein mathematischer Ansatz, der das Absinken der Schnittkraft in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit beschreibt, kann genutzt werden, um die Grenzschnittgeschwindigkeit vHSC zu berechnen, ab der Hochgeschwindigkeitsbedingungen vorliegen [2]. Danach setzt sich die Schnittkraft aus einem konstanten, geschwindigkeitsunabhängigen Anteil und einem mit steigender Schnittgeschwindigkeit exponentiell sinkenden Anteil zusammen. Per Definition ist die Grenzschnittgeschwindigkeit erreicht, wenn der dynamische Anteil der Schnittkraft auf 14% seines Ursprungswertes gefallen ist (Bild 2).

Spanbildung ändert sich bei einigen Werkstoffen

Außer einem Absinken der Schnittkraft mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit kann bei einigen Werkstoffen auch eine Änderung der Spanbildung von Fließ- zu Segmentspänen beobachtet werden. In der Literatur sind zwei unterschiedliche Erklärungsmodelle für die Entstehung von Segmentspänen verbreitet:

  • Durch den Anstieg der Schnittgeschwindigkeit erhöht sich die Formänderungsgeschwindigkeit sowie die in der Wirkzone in Form von Wärme umgesetzte Leistung [3]. Das erste Modell basiert auf der Annahme, dass es, infolge eines Ungleichgewichts zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeabtransport, zu einem Wärmestau in der Scherebene kommt (thermisches Modell), der zu einem thermischen Versagen des Werkstoffs führen kann [4]. Dieses als adiabate Scherung benannte Phänomen tritt bevorzugt bei Werkstoffen mit geringer Temperaturleitfähigkeit auf [5].
  • Das zweite (mechanische) Erklärungsmodell stammt aus der Hartbearbeitung und geht von einer zyklischen Rissbildung an der Oberfläche vor der Scherebene in Folge hoher Druckspannungen während der Zerspanung aus [6 und 7]. An der Schneidkante plastisch verformtes Material bildet ein Band, das die einzelnen Spansegmente zusammenhält.

Einfluss der Werkstoffeigenschaften auf die Spanbildung untersucht

An der Universität Bremen wurden Untersuchungen durchgeführt, deren Ziel es war, den Einfluss der mechanischen, thermischen und strukturellen Werkstoffeigenschaften auf die Spanbildung und auf die Abhängigkeit der Prozesskräfte von der Schnittgeschwindigkeit unter Hochgeschwindigkeitsbedingungen beim Außenrundlängsdrehen zu untersuchen. Die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften wurden durch die Wahl von verschiedenen Werkstoffen sowie durch gezielte Wärmebehandlungen realisiert.

Bild 3: Aufstellung der verwendeten Werkstoffe nach Zugfestigkeit und Temperaturleitfähigkeit. (Archiv: Vogel Business Media)

In Bild 3 sind die untersuchten Werkstoffe mit ihren für die Spanbildung wichtigen thermischen (Temperaturleitfähigkeit) und mechanischen (Zugfestigkeit bei Raumtemperatur) Eigenschaften dargestellt. Entsprechend dem mechanischen und thermischen Erklärungsmodell zur Entstehung von Segmentspänen kann davon ausgegangen werden, dass Werkstoffe mit hoher Temperaturleitfähigkeit und geringer Zugfestigkeit eher zur Bildung von Fließspänen (Bereich über der Diagonalen in Bild 3) und Werkstoffe mit geringer Temperaturleitfähigkeit und hoher Zugfestigkeit eher zur Bildung von Segmentspänen (Bereich unter der Diagonalen in Bild 3) neigen.

Bild 4: Berechnung des Segmentierungsgrads Gs. (Archiv: Vogel Business Media)

Zur Charakterisierung der Spanart wurde der Segmentierungsgrad Gs eingeführt, der den vorliegenden Span im Schliffbild nach dem Verhältnis der minimalen zur maximalen Spanungsdicke bewertet (Bild 3). Die Schliffbilder wurden von Spänen angefertigt, die mit Schnittgeschwindigkeiten erzeugt wurden, die größer als die Grenzschnittgeschwindigkeit vHSC waren. Für Fließspäne ist der Segmentierungsgrad gleich null, für einen vollständig segmentierten Span gleich eins.

Vergütungszustand der Werkstoffe beeinflusst Spanbildung

Bild 5: Segmentierungsgrade von Spänen aus vergütetem 42CrMo4 mit einer Härte von 33 HRC (a) und 54 HRC (b) sowie aus Kupfer (c) aus Hochgeschwindigkeitsdrehversuchen beim Außenlängsdrehen. vc > vHSC, f = 0,1 mm, ap = 0,1 mm, Kühlung trocken; Werkstoff: Schneidstoff CBN, Geometrie PCLNR1616H12; Schneidengeometrie: Einstellwinkel 95°, Spanwinkel 7°, Freiwinkel 7°, Eckenradius 0,8 mm Bilder: IWT (Archiv: Vogel Business Media)

Aus dem breiten Spektrum der untersuchten Werkstoffe zeigt Bild 5 exemplarisch, anhand von Spanschliffen an 42CrMo4 und Reinkupfer, unterschiedliche Spanarten, die bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung auftreten können. Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse wurde in beiden Fällen eine CBN-Schneide mit negativem Spanwinkel eingesetzt.

Deutlich erkennbar ist der Einfluss des Vergütungszustands beim Werkstoff 42CrMo4. Für eine Härte von 33 HRC liegt praktisch keine Spansegmentierung vor. Der geringe Wert von Gs = 0,22 ist auf Ausfransungen an der Oberseite des Spanes zurückzuführen. Bei einer Festigkeit von 54 HRC steigt der Segmentierungsgrad bis auf einen Wert von Gs = 0,45 an.

Die Bilder der Spanschliffe geben jedoch nicht preis, worauf die Spansegmentierung zurückzuführen ist: adiabate Scherung (thermische Ursache) oder zyklische Rissentstehung (mechanische Ursache). Geht man davon aus, dass sich durch die höhere Vergütungsfestigkeit die Temperaturleitfähigkeit nur gering ändert, so kann man folgern, dass die Segmentspanbildung auf eine kontinuierliche Entstehung von Rissen im Vorlaufbereich der Scherzone zurückzuführen ist.

Zerspanung von Kupfer erzeugt Fließspäne

Kupfer zeichnet sich durch eine hohe Duktilität bei gleichzeitig hoher Temperaturleitfähigkeit aus. Aufgrund dessen ist für diesen Werkstoff auch keine Segmentspanbildung zu erwarten, was die Untersuchungsergebnisse bis zu einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 5500 m/min bestätigen. Das Schliffbild (Bild 5c) zeigt einen durch kontinuierliche Umformung entstandenen Fließspan.

Andere Werkstoffe, wie beispielsweise die Aluminiumknetlegierung AlZnMgCu1,5 und das Automaten-Messing CuZn39Pb3, zeigen mikrostrukturelle beziehungsweise chemische Einflüsse auf die Spanbildung. Im Falle der Aluminiumknetlegierung wurden unterschiedliche Auslagerungszustände untersucht (maximal ausgehärtet, unteraltert).

Lediglich bei der unteralterten Variante war eine Segmentierung von Spänen zu beobachten. Dies wird auf kohärente Ausscheidungen zurückgeführt, die die Versetzungsbewegung beim Umformprozess in der Scherzone behindern. Beim Messing hat wahrscheinlich die spanbrechende Wirkung von Blei die Bildung segmentierter Späne zur Folge.

Scherwinkel mit hohem Einfluss auf die Zerspankraft

(Archiv: Vogel Business Media)

Ein Absinken der Zerspankraft mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit ist für einen Großteil der Werkstoffe zu beobachten (Tabelle). Jedoch zeigen die Ergebnisse, dass dies nicht allein auf die Spanbildungsmechanismen zurückzuführen ist. Sie weisen vielmehr darauf hin, dass vor allem die Erhöhung des Scherwinkels, das heißt die Abnahme der Spanstauchung, dafür verantwortlich ist. Für den Großteil der Stähle, die segmentierte Späne bei der HSC-Bearbeitung aufgrund ihrer thermisch-mechanischen Eigenschaften ausbilden, ist dies der Fall.

Auch für die untersuchten Reinwerkstoffe Aluminium, Kupfer, Armco (Reineisen) wurde eine signifikante Abnahme der Zerspankraft mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit beobachtet. Bei diesen Werkstoffen lagen im untersuchten Schnittgeschwindigkeitsbereich ausschließlich Fließspäne vor, was auf die hohe Temperaturleitfähigkeit (Aluminium, Kupfer) und/oder die niedrige Zugfestigkeit der Werkstoffe (Aluminium, Kupfer/Armco) zurückgeführt wird. Bei den Werkstoffen, die segmentierte Späne aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung oder Mikrostruktur ausbilden, ist nur eine geringe Abhängigkeit der Zerspankraft von der Schnittgeschwindigkeit zu beobachten.

Segmentierung der Späne belastet Werkzeugschneide

In der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist, abhängig vom verwendeten Werkstoff und dessen Wärmebehandlungszustand, eine Segmentierung von Spänen zu beobachten. Außer den mechanischen und thermischen Werkstoffeigenschaften spielen dabei die chemische und mikrostrukturelle Zusammensetzung eine wesentliche Rolle.

Diese Erkenntnis ist insbesondere bei der Auslegung von Zerspanwerkzeugen für die HSC-Bearbeitung zu beachten, weil die Segmentierung eine zyklische Belastung für die Schneide darstellt und eine verkürzte Werkzeugstandzeit zur Folge haben kann. Ob ein Absinken der Zerspankraft auftritt, ist ebenfalls vom Werkstoff abhängig. In der industriellen Praxis muss deshalb nicht notwendigerweise mit hohen Schnittgeschwindigkeiten gearbeitet werden, um geringere Prozesskräfte und damit kleinere Formabweichungen zu erzielen.

Das Phänomen einer sinkenden Zerspankraft mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit wird derzeit in einem durch die DFG geförderten Anschlussvorhaben genutzt, um Formabweichungen bei der spanenden Bearbeitung von Werkstücken aus 100Cr6 mit geringen Wandstärken zu minimieren. Insbesondere müssen dabei auch die Verformungen durch das Einbringen und Abtragen von Zerspaneigenspannungen berücksichtigt werden.

Dipl.-Phys. Jens Sölter und Dipl.-Wirtsch.-Ing. Griet Reucher sind wissenschaftliche Mitarbeiter am IWT – Stiftung Institut für Werkstofftechnik, Hauptabteilung Fertigungstechnik, in 28359 Bremen, Tel. (04 21) 2 18-54 87, soelter@iwt.uni-bremen.de. Die Forschungsarbeiten wurden unterstützt von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG).

Literatur:

[1] Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung – High-Speed Machining. München, Wien: Carl Hanser Verlag 1996.

[2] Tönshoff, H.-K., F. Hollmann: Hochgeschwindigkeitsspanen metallischer Werkstoffe. Weinheim: Wiley-VCH-Verlag 2005.

[3] Klocke, F.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ändert die Spanbildung. VDI-Z 1999/3/4, S. 30-34.

[4] Winkler, H., H. K. Tönshoff: Werkstoff-Fließeigenschaften beeinflussen adiabate Scherung. Maschinenmarkt 1984/17, S. 335-338.

[5] Schmidt, W.: Theoretisch-physikalischer Beitrag zur Hochgeschwindigkeitszerspanung mit definierter Schneide. Dissertation Universität Kassel 1990.

[6] Nakayama, K.: The Formation of Saw-toothed Chip Metal Cutting. Tokyo: Proceedings of the International Conference on Production Engineering 1974, S. 572-577.

[7] Ackerschott, G.: Grundlagen der Zerspanung einsatzgehärteter Stähle mit bestimmter Schneide. Dissertation RWTH Aachen 1991.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:223932)