Untersuchung der Schneidhaltigkeit neuartiger Schneidstoffe PDF
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FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr. 3069 / Fachgruppe Maschinenbau/Verfahrenstechnik Herausgegeben vom Minister fur Wissenschaft und Forschung Prof. Dr. -Ing. Dr. h. c. Wilfried Konig Dipl. -Ing. Klaus Gerschwiler Lehrstuhl fUr Technologie der Fertigungsverfahren der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen Untersuchung der Schneidhaltigkeit neuartiger Schneidstoffe Westdeutscher Verlag 1981 CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Konig, Wilfried: Untersuchung der Schneidhaltigkeit neuartiger Schneidstoffe / Wilfried Konig ; Klaus Gerschwiler. - Opladen : Westcteutscher Verlag, 1981. (Forschungsberichte des Landes Nordrhein Westfalen ; Nr. 3069 : Fachgruppe Maschi nenbau, Verfahrenstechnik) [SBN-13: 978-3-53[-03069-2 e-[SBN-13: 978-3-322-87687-4 DOl: 10.1007/978-3-322-87687-4 NE: Gerschwiler, Klaus:; Nordrhein-Westfalen: Forschungsberichte des Landes •.. © 1981 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen Herstellung: Westdeutscher Verlag GmbH Lengericher Handelsdruckerei, 454 Lengerich ISBN-13: 978-3-531-03069-2 - III - Inhalt Formelzeichen und AbkUrzungen IV 1. Einleitung und Aufgabenstellung 2. Zerspanuntersuchungen mit verschieden beschichteten Hartmetallen 3 2.1 Stand der Erkenntnisse 3 2.2 Schneidstoffe 8 2.3 Versuchsbedingungen und MeBverfahren 9 2.4 VerschleiBuntersuchungen beim Drehen des Stahles Ck 53 N 11 2.4.1 Werkstoff 11 2.4.2 FreiflachenverschleiB 12 2.4.3 SpanflachenverschleiB 21 2.4.4 NebenfreiflachenverschleiB 25 2.4.5 EinfluB der Oxidation auf die Entstehung der VerschleiBkerbe 29 2.4.6 Oberflachenausbildung 34 2.4.7 Schnittkrafte 37 2.4.8 Werkzeugstandzeit 41 2.5 VerschleiBuntersuchungen beim Drehen des Stahles 105 W Cr 6 43 2.5.1 Werkstoff 43 2.5.2 Versuchsergebnisse 45 - IV - 2.5.3 Schnittbedingungen 46 2.5.4 SpanfI~chenverschIeiB 47 2.5.5 FreifI~chenverschIeiB 57 2.5.6 NebenfreifI~chenverschIeiB 61 2.5.7 OberfI~chenausbiIdung 64 2.5.8 Schnittkr~fte 67 2.5.9 Werkzeugstandzeit 72 3. Zerspanuntersuchungen mit polykristallinem kubischem Bornitrid 74 3.1 Stand der Erkenntnisse 74 3.2 Schneidstoff 79 3.3 VerschIeiBuntersuchungen an der Nickelbasis Iegierung Inconel 718 80 3.3.1 Werkstoff 80 3.3.2 Versuchsergebnisse 81 3.4 VerschIeiBuntersuchungen an der Kobaltbasis Iegierung Co Cr 20 W 15 Ni 91 3.4.1 Werkstoff 91 3.4.2 Versuchsergebnisse 93 3.5 VerschIeiBuntersuchungen an der Titan Iegierung Ti Al 6 V 4 107 3.5.1 Werkstoff 107 3.5.2 Versuchsergebnisse 108 - v - 4. Zerspanuntersuchungen mit polykristallinem Diamant 118 4.1 Stand der Erkenntnisse 118 4.2 Werkstoff 121 4.3 Versuchsdurchflihrung 123 4.3.1 Versuchsanlage 125 4.3.2 Schnittbedingungen 125 4.3.3 MeBmethoden 125 4.4 Versuchsergebnisse 126 4.4.1 Schneidenverrundung 126 4.4.2 FreiflachenverschleiB 128 4.4. 3 Scheinspanbildung 131 4.4.4 Oberflachenausbildung 133 4.4. 5 Vergleichsversuche mit Hartmetall 135 5. Zusammenfassung 139 6. Literaturverzeichnis 142 - VI - Formelzeichen und Abklirzungen a mm Schnittiefe b mm Spanungsbreite FC N Schnittkraft Ff N Vorschubkraft F N Passivkraft P h mm Spanungsdicke KT 11m Kolktiefe KM mm Kolkmittenabstand KB mm Kolkbreite DM/h Lohn- und Maschinenkosten je Stunde KLM K DM/dm3 Fertigungskosten je zerspanter Volumen v einheit r mm Radius der Eckenrundung 11m Mittenrauhwert 11m Rauhtiefe 11m mittlere Rauhtiefe mm/U Vorschub t min Schnittzeit T min Standzeit min Werkzeugwechselzeit m/min Schnittgeschwindigkeit DM Werkzeugkosten je Standzeit dm3 /min abgespantes Werkstoffvolumen je Minute a Grad Freiwinkel A Grad Neigungswinkel i' Grad Spanwinkel Grad Einstellwinkel Grad Eckenwinkel ~ Grad Keilwinkel S (~/2) 11m relative Schartigkeit, gemessen unter dem Winkel ~/2 - 1 - 1. Einleitung und Aufgabenstellung Voraussetzungen ftir eine wirtschaftliche Herstellung von maB-, form- und oberflachengerechten Werkstticken sind genaue Kennwerte tiber das VerschleiBverhalten der Werkzeu ge und die Kenntnis der ftir die Schneidstoffe gtinstigsten Einsatzbedingungen. Insbesondere die betrachtlichen In vestitionskosten hochautomatisierter Bearbeitungsanlagen erfordern ihre optimale Ausnutzung, die direkt durch die Werkzeugstandzeit und die damit verbundenen Fertigungs kosten bestimmt wird. Die Forderung nach Einhaltung be stimmter Werkzeugstandzeiten kann jedoch nur dann er- ftillt werden, wenn es moglich ist, ftir eine gegebene Werk stoff-Schneidstoffkombination in Abhangigkeit von den ver schiedensten Bearbeitungsbedingungen die Standzeit und den auftretenden WerkzeugverschleiB hinreichend genau zu be stimmen. Die schnelle Entwicklung der Schneidstoffe macht es jedoch selbst den Herstellern schwer,-den Anwendern Schnittwertempfehlungen mitzugeben, die einen optimalen und anwendungsgerechten Einsatz ihrer Produkte hinsicht lich Qualitat und Wirtschaftlichkeit bei der groBen Palette der zu zerspanenden Werkstoffe gewahrleisten. Dies gilt insbesondere fUr die spanende Bearbeitung von hochwarmfesten Werkstoffen, wie sie in der Luftfahrtindustrie, im Triebwerks- sowie Gasturbinenbau verwendet werden, bei denen in zunehmendem MaBe Bearbeitungsprobleme auftreten, die oft nur mit groBem Aufwand gelost werden konnen. Von der Neu- und Weiterentwicklung der Schneidstoffe er hofft man sich nicht nur einfachere Losungen solcher Be arbeitungsprobleme, sondern auch hohere anwendbare Schnitt geschwindigkeiten, hohere Standzeiten und damit geringe Fertigungszeiten und -kosten. -2- 1m Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde durch Lang zeitverschleiBversuche beim Drehen verschiedener Werk stoffe das VerschleiBverhalten unterschiedlich beschich teter Hartmetalle sowie von Schneiden aus kubisch-kri stallinem Bornitrid und polykristallinem Diamant unter sucht. Ziel der Untersuchung war es, Richtwerte und Einsatzbereiche fur diese Schneidstoffe bei der Zerspanung der Werkstoffe Ck 53 N, 105 WCr 6, Inconel 718, TiAl 6 V 4, CoCr 20 W 15 Ni und GK-Al 17 Cu 4 FeMg zu ermitteln. -3- 2. Zerspanuntersuchungen mit verschieden beschichteten Hartmetallen 2.1 Stand der Erkenntnisse Die EinfUhrung von beschichteten Hartmetallquali Uiten fUhr te zu einer sprunghaften Weiterentwicklung auf dem Hart metallsektor. Zur Zeit werden eine Vielzahl unterschied lich ein- und mehrfachbeschichteter Hartmetalle angeboten. Aus dieser breiten Palette haben sich die Titankarbid-, die Titankarbonitrid- und die Titankarbid-Aluminiumoxid Beschichtung fUr die Zerspanung von Eisenwerkstoffen als besonders geeignet erwiesen. Der Vorteil beschichteter gegenliber unbeschichteten Hart metallen beruht auf zwei wesentlichen Voraussetzungen. Dies sind zum einen verbesserte Zerspanleistungen und zum anderen die Moglichkeit,die Vielzahl an Hartmetallsorten zu reduzieren /1,24/. Urn den Anforderungen zu begegnen, die an die Hartmetall Schneidstoffe bei der Zerspanung unterschiedlicher Werk stoffe unter wechselnden Bedingungen gestellt werden, muBten jeweils auf den speziellen Anwendungsfall bestmog lich abgestimmte Hartmetallsorten eingesetzt werden. Dies flihrte zu einer vielfaltigen und damit auch teuren Lager haltung. Die beschichteten Hartmetalle dagegen konnen fUr die Zerspanung eines breiteren Werkstoffspektrums einge setzt werden. Sie Uberstreichen mehrere ISO-Anwendungs gruppen und ermoglichen so eine Verminderung der Sorten vielfalt. Die Anwendungsbereiche gemaB den ISO-Anwendungs gruppen fUr die in die Untersuchung einbezogenen be schichteten Hartmetalle sind in Bild 1 dargestellt /1,2, 3,4/ . -4- p K Bild 1: Anwendungsbereiche beschichteter Hartmetalle Die verbesserten Zerspanleistungen beschichteter Hart metalle beruhen auf dem liberlegenen VerschleiBverhalten der Hartstoffschichten. Bei der Zerspanung von Eisen werkstoffen wird der VerschleiB der Werkzeugschneide im wesentlichen durch mechanischen Abrieb, Ausbrliche, Diffusions- und Oxidationsvorgange bestirnrnt /5,6,7/. Bei mittleren und h6heren Schnittgeschwindigkeiten korr~en hierbei den Diffusions- und Oxidationsvorgangen zwischen Werkzeug und Werkstlickmaterial besondere Bedeutung zu. Die Uberlegenheit beschichteter Hartmetalle ist auf die besonderen Eigenschaften der aus hochtemperaturbestan digem Material bestehenden Hartstoffschichten, wie
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