Spanende Formung. Theorie, Berechnung, Richtwerte. von Werner Degner, Hans Lutze, Erhard Smejkal. überarbeitet

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1 Spanende Formung Theorie, Berechnung, Richtwerte von Werner Degner, Hans Lutze, Erhard Smejkal überarbeitet Spanende Formung Degner / Lutze / Smejkal schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG Hanser München 2002 Verlag C.H. Beck im Internet: ISBN Inhaltsverzeichnis: Spanende Formung Degner / Lutze / Smejkal

2 CARL HANSER VERLAG Werner Degner, Hans Lutze, Erhard Smejkal Spanende Formung Theorie, Berechnung, Richtwerte

3 1.10 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC High-speed-cutting) 139 Nassbearbeitung zur Zeit prinzipiell als durchgehende Lösung für legierte, höher legierte und schwer spanbare Werkstoffe bzw. für Aluminiumlegierungen in Bearbeitungszentren angewendet, obwohl auch dazu punktuelle Lösungen der Trockenbearbeitung bekannt sind ökologische und spanungstechnische Optimierung der Kühlschmierstoffe erforderlich Hilfsstoffminimierung durch zielgerichteten Hilfsstoffeinsatz direkt an der Spanentstehungsstelle sinnvoll ( gerichteter Kühlstrahl ) Einsatz von Minimalschmierung für alle Arbeitsvorgänge möglich aus der Fachliteratur bekannte punktuelle Lösungen des Einsatzes von gasförmigen Hilfsstoffen verteuern die Fertigung Möglichkeiten der HSC-Bearbeitung sind auch unter Bedingung der Nassbearbeitung und der Minimalschmierungen zu nutzen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC High-speed-cutting) Grundsätzliches zur HSC Der Gedanke, mit hohen Schnittgeschwindigkeiten zu spanen, ist schon relativ alt. Bereits 1931 hat Salomon in seinem deutschen Patent Nr [174] aufgezeigt, dass nach dem parabolischen Anstieg der Schnitttemperatur mit steigender Schnittgeschwindigkeit bei Erreichen des Scheitelpunktes die Schnitttemperatur trotz weiterer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit wieder abfällt. Beim Spanen von Bronze ist es demnach möglich, bei v c m/min mit gewöhnlichen HSS-Werkzeugen zu arbeiten, ohne dass eine Schädigung des Werkzeugs auftritt. Für Eisenwerkstoffe liegen diese Schnittgeschwindigkeiten allerdings wesentlich höher, und zwar bei Gusseisen oberhalb von m/min (600 m/s) und bei Stahl oberhalb von m/min (750 m/s). Das heißt, bei diesen Schnittgeschwindigkeiten ist ebenfalls wieder der Einsatz von Stelliten bzw. Schnellarbeitsstahl möglich. Eine Weiterentwicklung der Schneidstoffe wäre damit gegenstandslos. Einen experimentellen Nachweis über die Richtigkeit seiner Theorie blieb Salomon schuldig. Erst etwa 25 Jahre nach Anmeldung des o. g. Patents wurden sowohl in der damaligen Sowjetunion als auch bei Lockheed in den USA im Wesentlichen die Theorie von Salomon bestätigt. Besonderer Verdienst kommt dabei Kronenberg zu, der die Untersuchungen bei Lockheed durchführte [175], [176]. Die erreichten Schnittgeschwindigkeiten lagen dabei zwischen und m/min bei der Stahlbearbeitung. Da es sich hier generell um Geschossgeschwindigkeiten handelt, war eine Realisierung dieser ultrahohen Schnittgeschwindigkeiten nur in translatorischer Schnittrichtung möglich. Folgende wichtige Ergebnisse, die mit ultrahohen Schnittgeschwindigkeiten bis m/min (1 000 m/s) erreicht wurden, lassen sich nennen: Die Werkzeuge, ausnahmslos Schnellarbeitsstahl mit 14 % W, haben diese hohen Belastungen ohne Schaden überstanden. Der Werkzeugverschleiß war minimal. Die erreichten Oberflächenqualitäten waren gut.

4 140 1 Theorie der spanenden Formung Es ergaben sich Spanungsvolumina, die bis zu % größer waren als die heutigen Werte Praktische Realisierung der HSC Alle bisherigen Untersuchungen haben das Ziel, die wissenschaftlichen und praktischen Grundlagen des Spanens bei außerordentlich hohen Schnittgeschwindigkeiten zu erforschen und industriell auszuwerten. Spanbildung, Werkzeugverschleiß, Schnitttemperatur, Schnittkräfte, Spanungsvolumen und erreichbare Oberflächenqualität sind dabei besonders wichtige Gesichtspunkte. Selbstverständlich sind die oben angegebenen außerordentlich hohen Schnittgeschwindigkeiten heute noch als utopisch hinsichtlich ihrer praktischen Realisierung anzusehen. Die unter heutigen Aspekten angewendeten Schnittgeschwindigkeiten der HSC- Bearbeitung liegen für die Aluminiumbearbeitung etwa bei m/min. Dabei zeigt sich, dass eine weitgehende industrielle Anwendung der Hochgeschwindigkeitsspanung sehr wesentlich von der Entwicklung bzw. Weiterentwicklung entsprechender Hochgeschwindigkeits- Werkzeugmaschinen abhängig ist. Da es sich hier vorrangig um rotatorische Schnittbewegungen (z. B. Fräsen) handelt, kommt besondere Bedeutung den frequenzgeregelten Motorspindeleinheiten zu [177], [240]. Da aber auch hohe Vorschubgeschwindigkeiten (bis etwa 20 m/min an Fräsmaschinen speziell für die Aluminiumbearbeitung zu realisieren sind, fordert Schulz [177] hochdynamische Antriebe und extrem schnelle Steuerungen bei Reduzierung von rotatorischen und translatorischen Massen (Leichtbautechnik für alle bewegten Maschinengruppen). Selbstverständlich gehört zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung auch eine neue Generation von zugehörigen Werkzeugen. Von Leopold [178] wird dazu ein Überblick gegeben, einschließlich der zugehörigen Schneidstoffe. Mittlerweile ist zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (wie sie heute realisierbar ist) ein umfangreiches Schrifttum entstanden, z. B. von Schulz [179] wird der Stand dieser Forschungsarbeiten zusammengefasst. Bild 1.95 gibt einen Überblick über den Bereich der angewendeten Schnittgeschwindigkeiten für wichtige Werkstoffgruppen. Schwerpunkt der Anwendung dieser Geschwindigkeiten liegt dabei im Bereich kleinerer Spanungsdicken bzw. im Schlichtbereich. In einer Studie wird dieser Fakt bestätigt [169]. Die Klärung der Spanungsverhältnisse bei der HSC-Bearbeitung unter heutigen Verhältnissen (v c bis 1000m/min bei der Stahlbearbeitung) ist eine nähere Betrachtung wert. Dazu wird auf die Ausführungen im Abschnitt 1.9 verwiesen, wo bei der dort aufgezeigten Problematik der Trockenbearbeitung bereits Gesichtspunkte der HSC sichtbar werden. Es wird dort herausgestellt, dass das Grundproblem die Vergrößerung des Scherwinkels Φ ist, was durch eine Reduzierung der Spanstauchung erreicht werden kann [siehe auch Gl. (1.51)]. Im Diagramm in Bild 1.96 ist diese Problematik sinnfällig dargestellt. Hier ist eindeutig die positive Wirkung höherer Schnittgeschwindigkeiten auf die Spanstauchung (und damit auf Φ feststellbar). Die umfangreichen Untersuchungen [31] auf einer Spezialdrehmaschine zeigen den beträchtlichen Abfall der Spanstauchung mit steigender Schnittgeschwindigkeit. Dies ist offensichtlich auf die höheren Verformungsgeschwindigkeiten in der Spanbildungszone zurückzuführen, wobei die Spanbildungszone selbst bzw. die Scherfläche kleiner wird. Das bedeutet, dass der Spanbildungsprozess bei hoher Schnittgeschwindigkeit mit so hoher Schergeschwindigkeit

5 1.10 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC High-speed-cutting) 141 faserverstärte Kunststoffe Aluminium Kupferlegierung Gusseisen Stahl Titanlegierung Nickelbasislegierung υ c in m / min konventionell Fräsen Übergang HSC-Fräsen Bild 1.95 Schnittgeschwindigkeiten für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung beim Fräsen [172] λ m 2,5 2,0 f =01, f =005, mm/u f =005, f =01, C 35 1,5 1,0 Werkstoff: C 35; C 60 Schneidstoff: Oxidkeramik Spanungsbedingungen: C 60 γo= 5 ; αo= 5 ; r= 60 ; ap= 2 mm; λs= υ c in m / min Bild 1.96 Abhängigkeit der Spanstauchung λ m von der Schnittgeschwindigkeit v c,vomvorschub f und vom Werkstoff beim Drehen mit Oxidkeramik [31]; λ m : Spanstauchung bestimmt durch Spanmassemessung erfolgt, dass eine eigentliche Stauchung des Spans immer weniger erfolgt, sondern mehr und mehr in ein stetiges Fließen übergeht. Aus Bild 1.96 ist aber auch der Einfluss des Werkstoffs auf die Spanstauchung zu erkennen. Der Werkstoffeinfluss bleibt zwar nur auf zwei Werkstoffe beschränkt, zeigt aber doch deutlich, dass Stähle höherer Festigkeit, also solche in der Regel mit höherem Kohlenstoffgehalt, eine geringere Spanstauchung aufweisen als solche mit niedrigerer Festigkeit, die eine größere

6 142 1 Theorie der spanenden Formung Spanstauchung bedingen. Daraus kann der generelle Schluss gezogen werden, dass duktilere Werkstoffe generell stärker gestaucht werden als weniger duktile. Besonders interessant ist der Einfluss des Vorschubs auf die Spanstauchung, d. h. der Abfall des Stauchfaktors bei konstanter Schnittgeschwindigkeit. Diese Verhältnisse sind ebenfalls aus Bild 1.96 ersichtlich. Den Einfluss des Spanwinkels γ o zeigt Bild λ m 2,0 f =01, mm/u Werkstoff: C 35; C 60 1,8 Schneidstoff: Oxidkeramik Spanungsbedingungen: υ c =200 m / min; ap= 4 mm; αo= 5 ; r= 60 ; λs= 0 1,6 f =02, 1,5 10 γ o γ o 10 Bild 1.97 Abhängigkeit der Spanstauchung λ m vom Spanwinkel γ o und vom Vorschub f [31] Hier ist die Zunahme der Spanstauchung mit kleiner werdendem γ o bzw. negativen Spanwinkeln ganz offensichtlich auf die größere Verformungsarbeit (größere Schnittkräfte) zurückzuführen, wobei ebenfalls der Reibungskoeffizient µ bei kleineren bzw. negativen γ o ansteigt. Zeitspanvolumen Oberflächenqualität Formgenauigkeit am Werkstück (infolge geringer Schnittkräfte) Gebrauchswerteigenschaften (Reibungs- und Verschleißverhalten, Korrosionsverhalten, Wechselfestigkeit, Biegeschwellfestigkeit) der gespanten Werkstücke Zerspanungskräfte Werkzeugstandweg Wärmeeintrag im Werkstück (Werkstücktemperatur) υ c in m / min Bild 1.98 Charakteristika der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, nach Schulz [179] (schematische Darstellung)

7 1.10 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC High-speed-cutting) 143 Die schematische Darstellung in Bild 1.98 verdeutlicht, dass im Bereich hoher Schnittgeschwindigkeiten bzw. bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung die Zeitspanvolumina sich vergrößern und die Werkstückoberflächenqualität bzw. die Formgenauigkeit der bearbeiteten Werkstücke infolge der geringeren Schnittkräfte verbessert wird. Auch die so genannten Gebrauchswerteigenschaften, wie Reibungs- und Verschleißverhalten, Korrosionsverhalten, Wechselfestigkeit und Biegeschwellfestigkeit der gespanten Werkstücke steigen an. Die Spanungskräfte verringern sich um ca. 30 %, der Wärmeeintrag in das Werkstück (Werkstücktemperatur) verringert sich ebenfalls. Die Werkzeugstandwege bzw. Standzeiten werden kleiner. Jüngere Untersuchungen beim Einzahnfräsen von Messing [177] (Bild 1.99) bestätigen die älteren Untersuchungen von [31], dass mit steigender Schnittgeschwindigkeit der Span weniger gestaucht wird und dass die Schnitt- und Normalkräfte ebenfalls abnehmen. Der Bereich des größeren Schnittkraftabfalls, deckt sich mit dem Bereich der stärkeren Spanstauchungsabnahme [177]. λ d λ l Spandickenstauchung Spanlängenstauchung h m =40 µ m h m =20 µ m λ d λ l Cu Zn 37 K 10 Trockenschnitt Gleichlauf ae = 15, mm d = 40 mm αo = 8 γ = 8 o υ c in m / min Bild 1.99 Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Spanstauchung von Messing CuZn37 [177] Auch hier ist aus Bild 1.99 deutlich der Einfluss der Spanungsdicke auf λ feststellbar. Dieser Einfluss sowie der Einfluss des Vorschubs f z auf die mittlere spezifische Schnittkraft und die mittlere spezifische Normalkraft beim Fräsen von Messing zeigt anschaulich Bild Der bedeutsame Einfluss von f z neben dem Einfluss von v c auf die Kräfte wird hier eindeutig dokumentiert. In [177] wird festgestellt, dass die mittels der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erzielten Oberflächenqualitäten eine normalerweise nachfolgende Schleifbearbeitung ersetzen kann. Die Forderungen der Feinbearbeitung werden durch das Hochgeschwindigkeitsfräsen größtenteils erfüllt.

8 144 1 Theorie der spanenden Formung mittlere spezifische Schnittkraft k cm mittlere spezifische Schnittnormalkraft k cnm 2000 N mm Vorschub pro Zahn f z 0,05 0,1 0,25 0,5 mm 1 υ c in m / min µm 200 mittlere Spanungsdicke h m Cu Zn 37 K 10 Trockenschnitt Gleichlauf ae = 15, mm d = 40 mm αo = 8 γ = 8 o Bild Spezifische Schnitt- und Schnittnormalkräfte beim Fräsen von Messing CuZn37 [177] Es wurde der Versuch unternommen, den Verlauf der Fertigungskosten in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit darzustellen, mit dem Ergebnis, dass für Bearbeitungszentren das Hochgeschwindigkeitsfräsen (Schlicht- und Feinbearbeitung im HSC-Bereich) kostenoptimal gegenüber der Anwendung des konventionellen Schlichtfräsens ist. Im Bild ist der prinzipielle Verlauf der Fertigungskosten in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit für konventionelles Schrupp- und Schlichtfräsen und für Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) dargestellt. Beim Schruppen werden maximale Zeitspanungsvolumina im zeit-, kosten- und energieoptimalen Betriebspunkt bis cm 3 /min erreicht. Die Endbearbeitung im HSC-Bereich erfolgt kostengünstig mit wirtschaftlichen Schnittgeschwindigkeiten von v c = m/min beim Fräsen von Stahl v c = m/min beim Fräsen von Gusseisen v c = m/min beim Fräsen von Aluminiumlegierungen Diese Schnittwerte wurden für das Hochgeschwindigkeitsfräsen mit den Schneidstoffen Hartmetall, Cermet, CBN und PKD ermittelt. Die entstehende Wärmemenge wird beim HSC- Fräsen überwiegend mit dem Span abgeführt. Es erfolgt im Regelfall kein oder nur ein geringer Wärmeeintrag in das Werkstück. Die Schnittgeschwindigkeiten bei der Stahlbearbeitung liegen im Bereich von v c = m/min für das konventionelle Schruppfräsen v c = m/min für das konventionelle Schlichtfräsen

9 1.10 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC High-speed-cutting) 145 Für alle dargestellten Bearbeitungsarten wird ein gleich hoher Fixkostenanteil angenommen. Wenn die komplette Fertigung z. B. auf einem Bearbeitungszentrum erfolgt. Bei hohen Maschinen- und Lohnkosten (Bearbeitungszentrum) ist bei großem Zeitspanungsvolumen (Bild 1.101a) der Bereich kostengünstiger niedriger Schnittgeschwindigkeiten im zeit-, kostenund energieoptimalen Betriebspunkt relativ weit. Beim üblichen Schlichten mit vergleichsweise hohem Zeitspanungsvolumen im höheren Schnittgeschwindigkeitsbereich (Bild 1.101b) steigen die Fertigungskosten aufgrund der kleinen Vorschubgeschwindigkeiten an, der Bereich der wirtschaftlichen Schnittgeschwindigkeit ist eingeengt. Bei kleinem abzuspanendem Volumen und hohen realisierbaren Schnittgeschwindigkeiten (Bild 1.101c) verringern sich aufgrund der für den HSC-Bereich typischen spanungstechnischen Verhältnisse entscheidend die Fertigungskosten im Vergleich zu den bisherigen Schlichtparametern. Durch den steilen Verlauf der beiden Kurven für die anteiligen Werkzeugkosten (starke Verschleißzunahme bei hohen Schnittgeschwindigkeiten) und für den Hauptzeitkostenanteil (entscheidende Verringerung der Hauptzeit durch sehr hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten) ist der Bereich für die kostenoptimalen Schnittgeschwindigkeiten relativ eng begrenzt. Fertigungskosten K F in /Stück a) konventionelles Schruppfräsen Bereich kostenoptimaler Schnittgeschwindigkeiten (Schruppen) b) konventionelles Schlichtfräsen Bereich kostenoptimaler Schnittgeschwindigkeiten (Schlichten) c) Hochgeschwindigkeitsfräsen Schlicht- und Feinbearbeitung im HSC-Bereich Bereich kostenoptimaler Schnittgeschwindigkeiten (HSC) Fertigungskosten K Fmin, Schlichten K Fmin, Schruppen anteilige Werkzeugkosten K Fmin, HSC Hauptkostenanteil ( KM, KL anteilig) Fixkostenanteil υ c kostenoptimal Schruppen υ c υ c υ c in m / min kostenoptimal kostenoptimal Schlichten HSC Bild Verlauf der Fertigungskosten in Abhängigkeit von der Schnittgeschwindigkeit [169] (schematische Darstellung) Der angegebene Bereich kostenoptimaler Schnittgeschwindigkeiten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen schließt den Trockenschnittanteil mit ein. Es wurde aufgrund der in der Fachliteratur vorliegenden umfassenden Arbeiten zur HSC-Bearbeitung und zur Trockenbearbeitung der Versuch unternommen, eine komplexe verbindende Darstellung dieses Teiles der spanenden Formung aus eigenen Erfahrungen zu ergänzen.

10 146 1 Theorie der spanenden Formung Tafel 1.19 Fräsen im HSC-Bereich bzw. Startwerte im Bereich höherer Schnittgeschwindigkeiten für Nassbearbeitung, Trockenbearbeitung und Minimalschmierung, Hinweise zum Bohren, Gewindebohren und Reiben [169] Verfahren Werkstoff Schneidstoff Bemerkungen Startwerte vcnass : vctrocken : vc Minimalschm. Fräsen unlegierter Kohlenstoffstahl P 10/ fz = 0,1/ap 0,5 800 : 400 : 800 hoch legierter Stahl Cermets fz = 0,1/ap 0,5 : 600 : 400 GG/GGG Keramik/CBN fz = 0,1/ap 0,5 : : Alulegierungen K10, PKD beschichtet fz = 0,1/ap 0,5 bis 4000 : bis : bis Bohren unlegierter Kohlenstoffstahl HSS (beschichtet) f = 0,15 mm/u 65 : 45 : 55 HM (beschichtet) -Bereich: 140 : 90 : 120 hoch legierter Stahl HSS (beschichtet) 5 d 25 mm 60 : 40 : 50 HM (beschichtet) 120 : 100 : 90 GG/GGG HSS (beschichtet) Bohrtiefe 60 : 40 : 50 HM (beschichtet) Trocken: 130 : 80 : 100 Alulegierungen HM (beschichtet) 2,0...2,5 d : 800 : Gewinde- Stahl (unlegiert u. niedrig legiert) HSS, unbeschichtet vf = mm/min 20 : 5 : 15 bohren hoch legierter Stahl : : GG/GGG HSS, beschichtet vf = mm/min 100 : 50 : 70 HM, beschichtet : : (T-Einfluss) : : Reiben Stahl N/mm 2 Cermet f = 0,3...0,8mm/U bis 200 : : Stahl > N/mm 2 Cermet f = 0,3...0,8mm/U : : GG/GGG HM f = 0,2...0,8 mm/u : : Alulegierungen HM f = 0,3...0,8 mm/u : :

11 1.10 Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC High-speed-cutting) 147 Es wurden auch Untersuchungen durchgeführt mit dem Ziel, die Integration des Schleifens und des Hochgeschwindigkeitsspanens in Bearbeitungszentren zu realisieren und die Aspekte der Nass- und Trockenbearbeitung bzw. den alternativen Einsatz von Minimalmengenschmierungen zu untersuchen. In Tafel 1.19 sind die daraus resultierenden Bearbeitungsparameter für Fräsen, Bereich hoher Schnittgeschwindigkeiten, Nassbearbeitung, Trockenbearbeitung und Minimalmengenschmierung zusammengefasst. Es wird weiterhin versucht, eingeschränkte Aussagen zum Bohren, Gewindeschneiden und Reiben in diesem Bereich zu treffen. Die Erfahrungen zeigen, dass unter komplexen Bedingungen der Fertigung die Probleme der Trockenbearbeitung und der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nahe beieinander liegen.