Einfluß verschiedener Schmelzen auf die Zerspanbarkeit von Gesenkschmiedestücken

103 Pages·1964·4.245 MB·German

by  Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz, Dr.-Ing. Wilfried König, Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Neumann (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr.1348
Herausgegeben
im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers
von Staatssekretär Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt
DK 621.73:621.91.07
Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Herwart Opitz
Dr.-Ing. Wiifried König
Dipl.-Ing. WolfDieter Neumann
Laboratorium für Werkzeugmaschinen und Betriebslehre
der Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen
Einfluß verschiedener Schmelzen auf die
Zerspanbarkeit von Gesenkschmiedestücken
WESTDEUTSCHER VERLAG· KÖLN UND OPLADEN 1964
ISBN 978-3-663-06270-7 ISBN 978-3-663-07183-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-07183-9
Verlags-Nr. 011348
© 1964 Ьу Westdeutscher Verlag, Кбln und Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
Inhalt
1. Einleitung ..................................................... 7
2. Stand der Erkenntnisse .......................................... 8
3. Aufgabenstellung und Abgrenzung des Versuchsbereiches ............ 13
4. Zerspanungsuntersuchungen zur Ermittlung der Streuungen in der Zer- 15
spanbarkeit verschiedener Stähle Ck 45 ........................... .
4.1 Zerspanungsuntersuchungen beim Bohren.... ...... . ........... 18
4.2 Zerspanungsuntersuchungen beim Drehen ..................... 28
4.21 Verschleißuntersuchungen ................................... 28
4.22 Schnittkraftmessungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33
5. Untersuchungen zur Ermittlung der Ursachen für ein unterschiedliches
Kolkstandzeitverhalten verschiedener Stähle Ck 45 . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 40
5.1 Versuchswerkstoffe ... . .................. ....... ....... ...... 40
5.11 Wärmebehandlung der Versuchswerkstücke .................... 41
5.12 Festigkeitseigenschaften ..................................... 45
5.13 Gasanalysen, Einschlußbestimmung und Rückstandanalysen ...... 47
5.2 Zerspanungsversuche an Stählen Ck 45 in verschiedenen Wärme-
behandlungszuständen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 50
5.3 Zusammenhang zwischen der Austenitbildung der Versuchswerk
stoffe und dem Verschleiß auf der Spanfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 55
5.31 Bestimmung des Auflösungsverhaltens der Versuchswerkstoffe in
isothermischer Versuchsführung .............................. 56
5.32 Untersuchung der Auflösungsvorgänge in den Spanunterseiten ... 69
5.4 Untersuchung des anormalen Verschleißverhaltens der Schmelze Al 86
(Stahl Ck 45) .............................................. .
6. Zusammenfassung............................................... 95
7. Literaturverzeichnis ............................................. , 97
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1. Einleitung
Eine entscheidende Voraussetzung für die Festlegung zweckmäßiger Bearbeitungs
bedingungen bei der spanenden Formgebung ist u. a. die Kenntnis des Standzeit
verhaltens der Werkzeuge. Die Bedeutung und Problematik dieser Frage wurde
schon frühzeitig erkannt und kommt in zahlreichen Veröffentlichungen zum Aus
druck [1,2,3,4].
Mit zunehmendem Umfang der Serien- und Massenfertigung bei gleichzeitig
erhöhten Anforderungen an die Genauigkeit des Fertigproduktes ist die Bedeu
tung dieser Frage ständig gewachsen. Die Ausnutzung automatisierter Anlagen
hängt weitgehend von einer gesicherten Standzeit aller im Einsatz stehenden
Werkzeuge ab. Die wirtschaftliche Seite dieser Frage wird durch die Ergebnisse
funktioneller Kostenanalysen unterstrichen, die zeigen, daß das Minimum der
Fertigungskosten nur bei einer ganz bestimmten Abstimmung der Werkzeug
kosten mit allen anderen bei der Fertigung auftretenden Kostenfaktoren zu er
reichen ist [5].
Seit etwa 60 Jahren werden Zerspanungsuntersuchungen durchgeführt, um für
die Praxis Richtwerte für eine zweckmäßige und wirtschaftliche Bearbeitung der
verschiedenen Werkstoffe zu erstellen. Voraussetzung für derartige Richtwert
untersuchungen ist die Forderung nach einer Normung der Werkstoffe und
Werkzeugstoffe und die damit verbundene Beschränkung der Stahl- und Werk
zeugsorten.
Die Folgerung von SCHLESINGER [6], daß durch die Schaffung der Stahlnormen
die Möglichkeit gegeben sei, für einen bestimmten Werkstoff eine gleichmäßige
Bearbeitbarkeit zu sichern, deren Kennwert man nur einmal zu bestimmen braucht,
hat sich nur zum Teil erfüllt. Die Erfahrung lehrt, und einige Autoren weisen auch
darauf hin - hier seien besonders die Arbeiten von SCHAUMANN [7] erwähnt -,
daß verschiedene Schmelzen gleicher Normbezeichnung, Erschmelzungsart und
Festigkeit mit ein und demselben Werkzeug unterschiedlich zerspanbar sein
können. Die Bedeutung dieser Feststellung geht aus den eingangs geschilderten
Zusammenhängen zwischen Werkzeugkosten und Fertigungskosten eindeutig
hervor und begründet die Notwendigkeit, die Ursachen für die Streuungen
der Zerspanbarkeit verschiedener Stähle gleicher Normbezeichnung näher zu
untersuchen, um damit Stähle gleichmäßiger Bearbeitbarkeit herstellen zu kön
nen.
7
2. Stand der Erkenntnisse
Soweit in der Literatur über systematische Untersuchungen der Streuungen in
der Zerspanbarkeit verschiedener Schmelzen eines Werkstoffes berichtet wird,
handelt es sich meist um Zerspanungsuntersuchungen mit Schnellarbeitsstahl
werkzeugen [8,9]. Hier können die Streuungen in der Zerspanbarkeit zum Teil
auf Festigkeits- und Analysenabweichungen der einzelnen Werkstofflieferungen
zurückgeführt werden.
Da das Erliegen bei Werkzeugen aus Schnellarbeitsstahl in der Hauptsache durch
ein Erweichen der Schneide infolge der Schnittemperatur hervorgerufen wird,
ist eine Abhängigkeit der Zerspanbarkeit, gekennzeichnet durch den Erliege
punkt, von den Festigkeitseigenschaften oder der Analyse erklärlich, da die auf
tretenden Temperaturen in diesem Schnittgeschwindigkeitsbereich von der
Festigkeit, d. h. von der Vorbehandlung und der chemischen Zusammensetzung
des bearbeiteten Werkstoffes abhängen [10].
Bei Hartmetall-Drehwerkzeugen reichen jedoch zur Bestimmung des Werkzeug
verschleißes die Festigkeits- oder auch Analysenwerte allein nicht aus [11], son
dern es müssen noch andere Einflußgrößen in Betracht gezogen werden. Bei der
Bearbeitung mehrerer Werkstoffe gleicher Normbezeichnung mit Hartmetall
werkzeugen konnte z. B. SCHAUMANN [7] einen Zusammenhang zwischen dem
Verschleiß auf der Spanfläche und der chemischen Zusammensetzung bzw. den
Festigkeitseigenschaften der untersuchten Werkstoffe nicht nachweisen. Er ver
mutet deshalb, daß nichtmetallische Einschlüsse im Stahl mitbestimmend für
den Verschleiß am Hartmetall-Drehwerkzeug sind. Er weist jedoch darauf hin,
daß diese Untersuchungen nur einen Teil der Grundlagen liefern, die zur Er
forschung der Ursachen der unterschiedlichen Zerspanbarkeit verschiedener
Schmelzen eines Stahles notwendig sind.
Eine Behandlung dieses Problems führt zwangsläufig auf die Vorgänge an der
Werkzeugschneide und zu Untersuchungen über den Ablauf und die Ursachen
des Verschleißangriffes auf das Werkzeug.
Diese Betrachtungsweise wird durch die besonders in den letzten Jahren vertieften
Kenntnisse von den Verschleiß ursachen erleichtert.
Die Untersuchung des Werkzeugverschleißes stellt ein umfangreiches Gebiet
der Zerspanungsforschung dar, welches über den Rahmen der Fertigungstechnik
hinaus in die Physik, Chemie und Werkstoffkunde hineingreift. Im wesentlichen
lassen sich dabei drei Teilgebiete unterscheiden:
Das erste Forschungsgebiet umfaßt alle mit der empirischen Ermittlung des
Verschleißes verbundenen Fragen und wirkt sich unmittelbar auf die Bearbeitung
aus. Grundlegende Arbeiten wurden hier von WEBER [12] geleistet.
Das zweite Gebiet umfaßt die Erforschung der Vorgänge im Werkstückstoff bei
8
hohen Verformungs geschwindigkeiten und Temperaturen, wie SIe 1m Zers pa
nungsvorgang vorliegen.
Das dritte Gebiet beinhaltet die Erforschung der physikalischen und chemischen
Ursachen des Verschleißes. Die vorliegende Arbeit stützt sich im Rahmen der
Aufgabenstellung im wesentlichen auf die Forschungsergebnisse des dritten Teil
gebietes über die Bearbeitung von Stahl mit Hartmetallwerkzeugen.
Beim Zerspanen finden im Bereich der Schneide eines Werkzeuges Verformungs-,
Trenn- und Reibvorgänge statt. Die Werkzeuge unterliegen hohen Beanspru
chungen, die nach bestimmten Schnittzeiten zu Verschleiß erscheinungen führen,
die in Abhängigkeit von den Schnittbedingungen und der Schneids toff-Werkstoff
paarung als Schneidkantenabrundung, Spanflächen-, Kolk- und Freiflächen
verschleiß auftreten können [12, 13]. Hartmetallwerkzeuge zeigen bei Dreh
operationen an Stahlwerkstoffen mit den heute üblichen Schnittgeschwindig
keiten meist gleichzeitig Freiflächen-und Kolkverschleiß (Abb. 1), die die Stand-
:\bb. 1 Freiflächen- und Kolkverschleiß am Hartmetall-Drehwerkzeug
zeit des Werkzeuges begrenzen. Unter dem Begriff der Standzeit wird dabei die
reine Arbeitszeit des Werkzeuges zwischen zwei Anschliffen, d. h. bis zum Un
brauchbarwerden der Schneide oder bis zum Erreichen einer bestimmten Ver
schleißgröße verstanden.
Der Freiflächenverschleiß, gekennzeichnet durch die Verschleißmarkenbreite B,
beeinflußt den eingestellten Arbeitsdurchmesser und führt außerdem zu schlechte
ren Oberflächengüten. Dem Verschleiß auf der Spanfläche des Werkzeuges, dem
sogenannten Kolkverschleiß, kommt bei Hartmetallwerkzeugen eine besondere
praktische Bedeutung zu, da er den Keilwinkel des Werkzeuges verringert und
so infolge der höheren Bruchempfindlichkeit des Hartmetalles erheblich leichter
zum Ausbruch der Schneide führt als vergleichsweise bei Schnellarbeitsstahl.
Als wesentliche Ursache für den Verschleiß am Werkzeug kommen nach dem
heutigen Stand der Erkenntnisse in Betracht:
1. Ausbrüche der Schneid kanten infolge mechanischer Überbelastung.
2. Mechanischer Abrieb, z. B. durch Verunreinigungen im Stahl [14].
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3. Mikroausbröckelungen im Bereich der Schneide durch Kaltpreßschweißungen
zwischen Schneidstoff und Werkstückstoff [15].
4. Oxydationsvorgänge im Bereich der Schneide [16].
5. Thermoströme [16, 17].
6. Diffusion.
Alle diese Vorgänge überlagern sich je nach den angewendeten Schnittbedingun
gen in weiten Bereichen und sind in ihrer Wirkung nur schwer voneinander zu
trennen.
Nach Ansicht vieler Forscher tritt jedoch bei der Zerspanung von Stahlwerk
stoffen mit Hartmetallwerkzeugen unter hohen Schnittgeschwindigkeiten als Ur
sache für den Kolkverschleiß die Diffusion in den Vordergrund. Da die vorliegende
Arbeit sich im wesentlichen auf die Untersuchung der Ursachen des Verschleißes
auf der Spanfläche von Hartmetallwerkzeugen beschränkt, sollen in den nach
folgenden Betrachtungen die bisherigen Ergebnisse kurz erläutert werden.
LOLADSE [18] konnte zeigen, daß bei der Zerspanung von erhitztem Stahl (900°C
und höher) alle Hartmetallqualitäten nahezu unabhängig von der Schnittgeschwin
digkeit verschleißen. Dabei vermindern sich die Schnittkräfte bei hohen Tempe
raturen erheblich. Durch das Aufheizen des Werkzeuges ist nach LOLADSE sowohl
bei hohen als auch bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten die Temperatur in der
Kontaktzone zwischen ablaufendem Span und Werkzeug gleich. Die Standzeit
erhöht sich bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten nur wenig, obwohl sich die
Reibungsarbeit um das 20 000-30 OOOfache gegenüber derjenigen bei hohen
Schnittgeschwindigkeiten verringert. Unter diesen Bedingungen besteht also
zwischen der Reibung an der Kontaktfläche und der Standzeit des Werkzeuges
keine direkte Abhängigkeit. Dieses experimentelle Ergebnis kann nach LOLADSE
nicht mehr an Hand der Theorie des mechanischen Abriebes oder des Adhäsions
verschleißes erklärt werden, sondern deutet auf Diffusionserscheinungen hin.
Starke plastische Verformungen im Bereich der Schneide begünstigen den
Ablauf von chemischen Reaktionen und die Diffusion zwischen Werkzeug- und
Werkstückstoff. Die Theorie des Diffusionsverschleißes wird unterstützt durch
Untersuchungen von KÜSTERS [19], der die Temperaturen in der Spanfläche mit
über 1000°C angibt.
Bei statischen Diffusionsversuchen mit der Paarung Stahl-Hartmetall stellten
VIERREGGE [15] und ALTENWERTH [14] fest, daß bereits bei Temperaturen von
800° C Kohlenstoff aus dem Hartmetall in den Stahl einwandert. Bei höheren
Temperaturen tritt eine metallreiche Mischkarbidzone aus aufgelösten Wolfram
karbiden und Eisen auf, deren Zusammensetzung mit (FeW)6C angegeben wird;
die titankarbidhaltigen Mischkarbiden beteiligen sich nicht an der Diffusion.
Bei Zerspanen von Stahlwerks toffen findet nach VIEREGGE vorwiegend ein
Kohlenstoffentzug aus dem Hartmetall statt, so daß die Metall-Kohlenstoff-(MC)
Schneidstoffkarbide in kohlenstoffarme Doppelkarbide, wie M6C und M23C6,
übergehen. Diese besitzen gegenüber den Ausgangskarbiden eine wesentlich
geringere Härte und werden deshalb bereits bei ihrer Entstehung abgetragen, so
daß im Gegensatz zu den statischen Diffusionsversuchen beim Zerspanen die
10
Vorgänge im Gebiet der Schneide zu keinen direkt sichtbaren Diffusionszonen
im Hartmetall führen.
Diffusionsuntersuchungen, die OSTERMANN [20] an verschiedenen Paarungen
Hartmetall-Stahlwerkstoff durchgeführt hat, bestätigen im wesentlichen die Be
obachtungen von VIEREGGE. OSTERMANN kommt jedoch durch Einbezug mehre
rer Stähle mit unterschiedlichem Kohlenstoffgehalt zu der Feststellung, daß die
Auflösung der Wolframkarbide von dem Kohlenstoffgehalt der mit dem Hart
metall gepaarten Stähle abhängig ist. Der bei der Versuchstemperatur von 12000 C
in der Stahlprobe vorliegende Austenit reichert sich mit Kohlenstoff an, der
durch die Auflösung der Wolframkarbide geliefert wird. Die Tiefe der Diffu
sionszone ist bei vorgegebener Temperatur einmal abhängig von der Haltezeit,
zum anderen aber von dem Kohlenstoff-Konzentrationsgefälle zwischen beiden
Diffusionspartnern. Die Auflösung der Wolframkarbide muß bei der Diffusions
richtung Hartmetall-Stahl um so stärker in Erscheinung treten, je niedriger der
Kohlenstoffgehalt des mit dem Hartmetall gepaarten Stahles ist.
Dieses Resultat steht jedoch im Widerspruch zu den Zerspanungsergebnissen,
bei denen der Verschleiß am Werkzeug mit steigendem Kohlenstoffgehalt der
Stähle zunimmt. OSTERMANN macht für den Verschleiß primär die Festigkeit
der Schweißverbindung zwischen den Diffusionspartnern Hartmetall und Stahl
verantwortlich und konnte zeigen, daß die Trennung zwischen Hartmetall und
Stahl bei hochkohlenstoffhaltigen Stählen direkt im Hartmetall erfolgt, wobei
Hartmetallbestandteile aus dem Gefügeverband herausgerissen werden. Im Gegen
satz hierzu erfolgt die Trennung bei niedrig gekohlten Stählen in der Schweiß
stelle selbst, so daß hier nur ein kontinuierlicher Abtrag dünner Hartmetall
schichten stattfindet.
Neben diesen Verschleißursachen, die auf eine unmittelbare Reaktion zwischen
Schneidstoff und Werkstoff zurückzuführen sind, können weitere Verschleiß
faktoren auftreten, die aus Gefügeveränderungen innerhalb des Schneidstoffes
infolge Temperatureinwirkung resultieren. Nach KIEFFER und SCHWARZKOPF [21]
weisen Hartmetalle mit weniger als 10% Kobalt ein zusammenhängendes Karbid
skelett auf, in dem Kobalt eingelagert ist. Mit steigenden Temperaturen baut
Kobalt als starker Solvent Wolframkarbid und Titankarbid in sein Gitter ein, was
zur Auflösung der Brücken des Karbidskelettes führt. AXER [16] führte Drehver
suche mit Hartmetallplatten durch, aus denen das Kobalt durch Säureangriffheraus
gelöst war. Während bei den unbehandelten Schneidplatten Kolkverschleiß
auftrat, ging bei den präparierten Meißeln die Verschleißform in einen Span
flächenverschleiß über, der im Gegensatz zum Kolkverschleiß nicht zu einer
Schwächung des Schneidkeiles und damit zu höheren Standzeiten führt.
Die Tatsache, daß oei hohen Schnittgeschwindigkeiten bzw. hohen Schneiden
temperaturen Diffusionserscheinungen zwischen Werkstoff und Schneidstoff auf
treten, ist zwar kennzeichnend für die Verschleiß ursache, gibt aber noch keinen
Einblick in den Mechanismus des Verschleißablaufes. OSTERMANN [20] konnte
durch elektronenmikroskopische und röntgenographische Untersuchungen von
Spanlängsschliffen und Spanunterseiten den Nachweis erbringen, daß der Werk
stoff während des Gleitens über die Spanfläche in einer dünnen Schicht eine
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O(-y-Umwandlung durchläuft. Die entstehende Austenitphase bestimmt maß
geblich das Reaktionsvermögen mit dem Schneidstoff und damit den Verschleiß
auf der Spanfläche des Werkzeuges [22,23].
Steht bei der Zerspanung eine kohlenstoffa rme Austenitphase mit dem Hartmetall
in Kontakt, so findet die Trennung an den Verschweißstellen immer in der Diffu
sionsschicht statt. Bei kohlenstoffr eicher Austenitphase erfolgt die Trennung
dagegen im Hartmetall, da hier die Festigkeit der Diffusionsschicht und des
Stahles wesentlich höher liegt als die des Hartmetalles. Im letzteren Fall werden
also häufig größere Hartmetallteile durch den Span fortgerissen, woraus ein
stärkerer Verschleiß resultiert.
Bei einem ferritisch-perlitischen Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt werden
sowohl die Ferrit- als auch die Perlitkörner in den austenitischen Zustand über
führt, wenn eine O(-y-Umwandlung in der Spanunterseite eintritt. Ein Konzen
trationsausgleich zwischen den aus Perlit-und Ferritbereichen entstandenen Auste
nitkörnern kann in der kurzen Berührungszeit des Spanes von ca. 1 ms nicht statt
finden. Zwischen diesen einzelnen Körnern und dem Hartmetall kommt es je
nach Kohlenstoffgehalt zu unterschiedlichen Reaktionen; durch die kohlenstoff
reichen Austenitkristalle werden einzelne Karbide oder ganze Karbidgruppen
aus dem Werkzeug herausgerissen, während die kohlenstoffarmen Austenit
kristalle keine tiefgehende Zerstörung des Hartmetalles bewirken.
Durch die Kenntnis des Verschleißablaufes in der Spanunterseite konnten weitere
Ergebnisse der empirischen Zerspanungsforschung gedeutet werden. Gefüge
zustände, bei denen die Ferrit-und Perlitkörner weit auseinander liegen, müssen
hinsichtlich des Kolkverschleißes beste Standzeitwerte ergeben. Gefüge, die eine
schnelle Auflösung des Kohlenstoffes im Austenit ermöglichen, zeigen einen hohen
Kolkverschleiß.
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