Moderne Zerspanverfahren stellen sich auf die Werkstoffe ein

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1 Moderne Zerspanverfahren stellen sich auf die Werkstoffe ein WERKSTOFF WOCHE September 215, Dresden Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Dipl.-Ing. Nicolas Beer Dipl. Wirt.-Ing. Henning Hartmann Maximilian Metzger, M.Sc. Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Technische Universität Dortmund

2 Agenda Vorstellung Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bearbeitung moderner Werkstoffe Drehen, Tiefbohren und Gewindebearbeitung hochfester bainitischer Stähle Tiefbohren bleifreier Stähle Tiefbohren von Inconel 718 mit kleinen Werkzeugdurchmessern Zusammenfassung Biermann

3 Agenda Vorstellung Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bearbeitung moderner Werkstoffe Drehen, Tiefbohren und Gewindebearbeitung hochfester bainitischer Stähle Tiefbohren bleifreier Stähle Tiefbohren von Inconel 718 mit kleinen Werkzeugdurchmessern Zusammenfassung Biermann

4 Das Institutsleitung Simulation und Optimierung Schleiftechnologie 35 Wissenschaftler 7 Technische Angestellte 2 Verwaltungsangestellte 3 Auszubildende ca. 5 Studentische Hilfskräfte ca. 25 m 2 Fläche Mehr als 8 gedruckte Publikationen in 214 Verwaltung Zerspanung Labore/ Technik Biermann

5 Agenda Vorstellung Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bearbeitung moderner Werkstoffe Drehen, Tiefbohren und Gewindebearbeitung hochfester bainitischer Stähle Tiefbohren bleifreier Stähle Tiefbohren von Inconel 718 mit kleinen Werkzeugdurchmessern Zusammenfassung Biermann

6 Bainit Zugfestigkeit R m / Härte Brucheinschnürung Z/ -dehnung A5 Motivation zum Einsatz bainitischer Stähle Potenziale und Anwendungen Schmieden Vergütungsstahl Wärmebehandlung Gerhard Barth Bosch Oldi&Co. ThyssenKrupp 14 MPa/ HV Materialeigenschaften 42CrMo4+QT 2MnCrMo7+BY 7 % R m HV3 Z A5 Herausforderungen Gröditzer Zerspanung CERATIZIT Felderhoff/Hartmann

7 Werkzeugoptimierung bei der Drehbearbeitung bainitischer Stähle Werkzeug: Variiert, r ε =,4,8 mm Schnittgeschw.: v c = 2 m/min Werkstoff: Variiert Vorschub: f =,25,3 mm Eingriffszeit: t h = 8 18 min Schnitttiefe: a p = 1 mm KSS: Emulsion F c F f F p Zerspankraftkomponenten F c, F f und F p 1 N CrMo4+QT (34 HV3) CNMG1244 HC-P15 f =,3 mm min Eingriffszeit t h VB max = 178 µm 2MnCrMo7+BY (374 HV3) CNMG1244 HC-P15 f =,3 mm min 18 Eingriffszeit t h VB max = 327 µm Hartmann

8 Werkzeugoptimierung bei der Drehbearbeitung bainitischer Stähle Werkzeug: Variiert, r ε =,4,8 mm Schnittgeschw.: v c = 2 m/min Werkstoff: Variiert Vorschub: f =,25,3 mm Eingriffszeit: t h = 8 18 min Schnitttiefe: a p = 1 mm KSS: Emulsion F c F f F p Zerspankraftkomponenten F c, F f und F p 1 N CrMo4+QT (34 HV3) CNMG1244 HC-P15 f =,3 mm VB max = 178 µm 2MnCrMo7+BY (374 HV3) CNMG1244 HC-P15 Stabilisierung f =,3 der mm Schneidenecke (r ε ) Optimierung des Schneidstoffes Anpassung der Schnittwerte (f ) min min 18 Eingriffszeit t h Eingriffszeit t h VB max = 327 µm 2MnCrMo7+BY (374 HV3) CNMG1248 HC-P5 f =,25 mm min 18 Eingriffszeit t h VB max = 248 µm Hartmann

9 Einlippentiefbohren Werkzeug: Variiert, d = 5 mm Schnittgeschw.: v c = 6 8 m/min Material: 42CrMo4+QT (34 HV3) Vorschub: f =,4,6 mm 2MnCrMo7+BY (374 HV3) Bohrtiefe: l = 15 mm KSS: Tiefbohröl Bohrweg: l f Varied KSS-Druck: p KSS = 1 bar 42CrMo4+QT ELB v c = 8 m/min, f =,4 mm l f = 9 m Werkstoff / Werkzeug / Bohrtiefe 2MnCrMo7+BY ELB v c = 8 m/min, f =,4 mm l f = 1,95 m 2MnCrMo7+BY HP-ELB v c = 6 m/min, f =,6 mm l f = 2 m Spanform Verschleiß 2 µm 2 µm 1 mm 2 µm Felderhoff/ Hartmann

10 Wendeltiefbohren Werkzeug: Variiert, d = 5 mm Schnittgeschw.: v c = 45 6 m/min Werkstoff: Variiert Vorschub: f =,75,125 mm KSS: Emulsion Bohrtiefe: l = 15 mm KSS-Druck: p KSS = 45 bar F f M B Referenzwerkzeug: v c = 6 m/min, f =,75 mm Bohrtiefe l Bohrmoment M B 5 Nm Werkzeugoptimierung v c = 45 m/min; f =,125 mm Referenzwerkzeug Opt. Werkzeug 5 mm 15 Bohrtiefe l Spänestau in der Spannut (Referenzwerkzeug) Hartmann

11 Zerspanung unter Serienbedingungen Übertragung der Forschungsergebnisse auf eine Fertigung unter industriellen Maßstäben Betrachteter Serienprozess: Herstellung von Common Rails aus Schmiederohlingen (Werkstoff: 38MnVS6) Produktion von bis zu 3 Mio. Stück p.a. Vorgehensweise: Schmieden von Rohlingen (2MnCrMo7+BY) Anpassen der Serienwerkzeuge Vergleichende Zerspanungsuntersuchungen Zerspanen von Schmiedebauteilen aus dem höherfesten bainitischen Werkstoff 2MnCrMo7+BY Hartmann

12 Fertigung der Durchgangsbohrung Werkzeug: Variiert, d = 9 mm Werkstoff: Variiert Bohrtiefe: l = 185 mm Bohrweg: l f = 11.7 m KSS: Öl Serienschnittwerte für beide Werkzeuge Serienwerkzeug 38MnVS6 (R m 96 Mpa) 1 mm Versuch 1 Angepasstes Werkzeug 2MnCrMo7+BY (R m = Mpa) Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 Hartmann

13 Drehbearbeitung der Anschlüsse Werkzeug: Variiert, d = 14.2 mm Werkstoff: Variiert Eingriffszeit: t h = 24,7 m KSS: Emulsion Serienschnittwerte für beide Werkzeuge Serienwerkzeug 38MnVS6 (R m 96 Mpa) Angepasstes Werkzeug 2MnCrMo7+BY (R m = Mpa) Versuch 1 5 µm Versuch 2 Hartmann

14 Agenda Vorstellung Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bearbeitung moderner Werkstoffe Drehen, Tiefbohren und Gewindebearbeitung hochfester bainitischer Stähle Tiefbohren bleifreier Stähle Tiefbohren von Inconel 718 mit kleinen Werkzeugdurchmessern Zusammenfassung Biermann

15 Motivation und experimentelle Rahmenbedingungen Motivation Verfahren Achsen Kugellager Nockenwelle Stahl im Automobilbau [Foto: Daimler] Kurbelwelle Ventile Karosserie Federn EU-Richtlinie 25/673/EG Höchstwert für Bleizusatz: Max.,1 Gewichtsprozent Ausnahme für Bleizusatz: Max.,35 % bei Stahl für Bearbeitungszwecke Zukünftige Entwicklung des Bleizusatzes: Kontinuierliche Reduzierung Werkstoff Einlippentiefbohren 1 MPa [Quelle: botek] Zugfestigkeit R M Streckgrenze R p,2 C45Pb C45 C45mod Metzger

16 Motivation und experimentelle Rahmenbedingungen Motivation Achsen Stahl im Automobilbau Ventile Spanbruch (konst. Rahmenbedingungen) C45 mit Blei C45 ohne Blei Verfahren Kugellager Nockenwelle [Foto: Daimler] Kurbelwelle Karosserie Federn Werkstoff Einlippentiefbohren 1 MPa [Quelle: botek] Zugfestigkeit R M Werkstoffspezifische Anpassung erforderlich Streckgrenze R p,2 C45Pb C45 C45mod Grundlegende Untersuchungsziele: Prozesssichere Tiefbohrbearbeitung eines bleifreien C45-Stahl Höhere Prozessproduktivität durch gesteigerte Schnittwerte Metzger

17 Grundlegende Untersuchungen zur Bohrbearbeitung bleifreier Stähle Werkzeug: Werkstoff: ELB Ø5 SA1 C45 var. Schnittgeschwindigkeit: Vorschub : v c = 8 m/min f =,75 mm/u Bohrtiefe: Öl-Druck: l t = 15 mm p ÖL = 8 bar Vorschubkraft F f 3 N 1 C45Pb (259 HV3) m 15 Bohrweg l f 1,2 3 Nm 2,4 1 C45 (248 HV3) m 15 Bohrweg l f 1,2 3,8N,4 1, C45mod (299 HV3) m 15 Bohrweg l f 1,2 Nm,4 Bohrmoment M B 2 cm 1 mm Metzger

18 Werkzeuganpassung zur Produktivitätssteigerung Werkzeug: Werkstoff: ELB Ø5 var. C45 mod Schnittgeschwindigkeit: Vorschub : v c = 8 m/min f = var. Bohrtiefe: Öl-Druck: l t = 15 mm p ÖL = 8 bar Vorschubkraft F f 5 N f =,75 mm/u m 15 Bohrweg l f 2 cm SA 1 2 Nm 1,2,8,4 Schrittweise Erhöhung des Vorschubs auf f =,15 mm/u 6 Nm Zeit t Bohrmoment M B 5 N SA2 f =,15 mm/u m 15 Bohrweg l f 2 Nm 1,2,8,4 Bohrmoment M B 1 mm Werkzeugbruch durch unzureichenden Spanbruch bei f =,125 mm/u Metzger

19 Grundlegende Detailuntersuchungen zur Bohrbearbeitung bleifreier Stähle mit erhöhtem Vorschub Werkzeug: Werkstoff: ELB Ø5 SA2 C45 var. Schnittgeschwindigkeit: Vorschub : v c = 8 m/min f =,15mm/U Bohrtiefe: Öl-Druck: l t = 15 mm p ÖL = 8 bar Vorschubkraft F f 5 N C45Pb (259 HV3) m 15 Bohrweg l f 25 NmN 1,2 3,8 2,4 1 C45 (248 HV3) m 15 Bohrweg l f 25 NmN 1,2 3,8 2,4 1 C45mod (299 HV3) m 15 Bohrweg l f 2 Nm 1,2,8,4 Bohrmoment M B 2 cm 1 mm Metzger

20 Grundlegende Detailuntersuchungen zur Bohrbearbeitung bleifreier Stähle mit erhöhtem Vorschub Werkzeug: Werkstoff: ELB Ø5 SA2 C45 var. Schnittgeschwindigkeit: Vorschub : v c = 8 m/min f =,15mm/U Bohrtiefe: Öl-Druck: l t = 15 mm p ÖL = 8 bar Arithmetischer Mittenrauwert R a,4 µm,2,1 C45mod C45Pb m 15 C45Pb (259 HV3) 1 mm C45mod (299 HV3) 1 mm 1 mm 2 Gemittelte Rautiefe R z µm 1, m 15 5 µm 5 µm Bohrweg l f Metzger

21 Agenda Vorstellung Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bearbeitung moderner Werkstoffe Drehen, Tiefbohren und Gewindebearbeitung hochfester bainitischer Stähle Tiefbohren bleifreier Stähle Tiefbohren von Inconel 718 mit kleinen Werkzeugdurchmessern Zusammenfassung Biermann

22 Spannung Dehnung Werkstoff Inconel 718 Ausgewählte mechanische Eigenschaften E-Modul E 2 GPa Dichte r 8,19 g/cm 3 Schmelzpunkt T m C Härte 2 44 HRC Bruchdehnung A % Wärmeleitfähigkeit λ 11,1 W/(m K) Ausdehnungskoeffizient α 12,6 1-6 K -1 Herausforderung bei der Zerspanung N/mm² % Zugfestigkeit Streckgrenze Bruchdehnung C 95 Temperatur Quellen: ATI Allvac, Bibus Metals Werkzeugverschleiß Bohrungsqualität thermische Belastung Oberflächenintegrität Adhäsionsneigung 2 µm Spanabtransport 1 mm Beer

23 Makrogestalt - Schneidenecke Werkzeugtyp A B C 1 mm,5 mm 1 mm,5 mm Beer

24 Makrogestalt - Schneidenecke Werkzeug: A, B, C Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: TiAlSiN/TiAlYN Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: variiert Typ A: ohne Spanflächen- und Eckenfase Typ C: mit Spanflächen- und mit Eckenfase Typ B: mit Spanflächen- und ohne Eckenfase 35 Maximale Verschleißmarkenbreite VB max µm µm,,5 1, 1,5 m 2,5 Bohrweg l f Beer

25 Rundheitsabweichung t k (f k ) Gemittelte Rautiefe Rz Makrogestalt - Schneidenecke Werkzeug: A, B, C Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: TiAlSiN/TiAlYN Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: l f =,85 m,25 1 mm µm,15 6,1 4,5 2 A B C Werkzeugtyp A B C Werkzeugtyp Beer

26 Makrogestalt - Schneidenecke Werkzeug: A, B, C Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: TiAlSiN/TiAlYN Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: l f =,34 m Werkzeugtyp A Werkzeugtyp B Werkzeugtyp C 1 mm v c t v = 1 µm 2 µm t v = 12 µm t v = 12 µm Beer

27 Kühlschmierstoffversorgung Werkzeug: B Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: unbeschichtet Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: variiert d KK = 1,25 mm; p KSS = 25 bar d KK = 1,25 mm; p KSS = 6 bar d KK = 1,25 mm; p KSS = 4 bar d KK = 1, mm; p KSS = 4 bar Maximale Verschleißmarkenbreite VB max 35 µm ,,5 1, 1,5 2, m 3, Bohrweg l f Beer

28 Kühlschmierstoffversorgung Werkzeug: B Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: unbeschichtet Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: variiert d KK = 1,25 mm p KSS = 25 bar d KK = 1,25 mm p KSS = 4 bar d KK = 1,25 mm p KSS = 6 bar d KK = 1, mm p KSS = 4 bar L f = 1,53 m 5 µm L f = 2,4 m L f = 2,55 m L f = 2,38 m 2 mm m/s 7 Strömungsgeschwindigkeit Beer / Özkaya

29 Kühlschmierstoffversorgung Werkzeug: B Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: unbeschichtet Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: variiert d KK = 1,25 mm p KSS = 25 bar d KK = 1,25 mm p KSS = 4 bar d KK = 1,25 mm p KSS = 6 bar d KK = 1, mm p KSS = 4 bar L f = 1,53 m 5 µm L f = 2,4 m L f = 2,55 m L f = 2,38 m 1 mm m/s 7 Strömungsgeschwindigkeit Beer / Özkaya

30 Gemittelte Rautiefe Rz Kühlschmierstoffversorgung Werkzeug: B Werkstoff: Inconel 718 Schnittgeschw.: v c = 35 m/min Beschichtung: unbeschichtet Bohrtiefe: l = 34 mm Vorschub: f =,1 mm Bohrerdurchm.:d = 6,8 mm KSS: Emulsion, 6 % Bohrweg: l f =,34 m 1 d KK = 1,25 mm p KSS = 25 bar d KK = 1,25 mm p KSS = 4 bar µm 6 v c 4 t v = 23 µm 2 µm t v = 11 µm 2 d KK = 1,25 mm p KSS = 6 bar d KK = 1, mm p KSS = 4 bar 1,25 mm 25 bar 1,25 mm 4 bar 1,25 mm 6 bar 1, mm 4 bar Kühlkanaldurchmesser d KK KSS-Druck p KSS t v = 8 µm t v = 12 µm Beer

31 Agenda Vorstellung Prozess- und Werkzeugentwicklung für die Bearbeitung moderner Werkstoffe Drehen, Tiefbohren und Gewindebearbeitung hochfester bainitischer Stähle Tiefbohren bleifreier Stähle Tiefbohren von Inconel 718 mit kleinen Werkzeugdurchmessern Zusammenfassung Biermann

32 Zusammenfassung Zerspanbarkeit hochfester bainitischer Stähle Die hohe Festigkeit der bainitischen Stähle hat negative Auswirkungen auf die realisierbare Werkzeugstandzeit im Vergleich zum Vergütungsstahl 42CrMo4+QT. Beim Drehen, Tiefbohren und Gewinden konnten mithilfe von Werkzeugund Prozessoptimierungen günstige Zerspanungsbedingungen geschaffen werden, um diesen Effekt zu kompensieren. Tiefbohrbearbeitung bleifreier Vergütungsstähle: Die werkstofftechnologische Anpassung ermöglicht die prozesssichere Tiefbohrbearbeitung bleifreier Vergütungsstähle. Effizientere Prozesse werden durch Werkzeugweiterentwicklungen auch bei langen Standzeiten realisierbar. Tiefbohren von Inconel 718 Inconel 718 stellt höchste Anforderungen an die Werkzeuge, so dass die Verwendung angepasster Werkzeuge unabdingbar ist. Bei der Kühlschmierstoffversorgung stellen der Zuführdruck und der Kühlkanalquerschnitt wichtige Einflussfaktoren dar. Biermann

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Danksagung: Das IGF-Vorhaben N der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.v. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Abschlussberichtes kann bei der FSV, Goldene Pforte 1, 5893 Hagen, angefordert werden. Das Forschungsvorhaben Zerspanungsoptimierung von hochbelastbaren Sta hlen fu r die Automobilindustrie (P 989) wurde am Institut fu r Spanende Fertigung der Technischen Universität Dortmund, mit fachlicher Begleitung und mit finanzieller Förderung durch die Forschungsvereinigung Stahlanwendung e. V., Düsseldorf, aus Mitteln der Stiftung Stahlanwendungsforschung, Essen, durchgeführt. Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung und Förderung. Wir danken der Firma Gühring KG für die Unterstützung bei den vorgestellten Arbeiten.

34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Technische Universität Dortmund Baroper Straße Dortmund Germany