Praxisforum ZERSPANUNG

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1 Praxisforum ZERSPANUNG Zerspanen ohne Kühlen eine Grenzerfahrung Dr.-Ing. Werner Kwanka FH Wels Folie 2 Gliederung Ganzheitliche Betrachtung der Zerspanung Energetische Betrachtung der Trockenzerspanung Erkenntnisse beim Einsatz der Minimalmengenschmierung Ausgewählte Beispiele aus der Serienfertigung Potentiale der Trockenzerspanung Folie 3 1

2 Beeinflussung der Zerspanung Funktionen des Kühlschmiermittels Bauteil - Werkstoff - Konstruktion -... Umwelt - Kühlschmierstoffe - Stäube - Lärmbelastung - Maschinenbediener -... Kühlen KSS Prozess KSS - Schnittparameter - Handling der Werkstücke -... Transportieren KSS Kühlen Trockenzerspanung Schmieren Transportieren Transportieren Werkzeugmaschine - Kapselung - Absaugung - Spänetransport - Vorrichtung - KSS-, MMS-Zufuhr - Einzelversorgung oder Versorgung über Zentralanlage -... Werkzeug - Kräfte - Substrat - Geometrie - Beschichtungen - Kosten -... Kühlen KSS Kühlen Schmieren Transportieren KSS Schmieren Trockenzerspanung in der Serienfertigung ist nur dann erfolgreich, wenn alle Einflussgrößen betrachtet werden und die Funktionen des Kühlschmiermittels berücksichtigt werden. Folie 4 Bereiche für Einsatzparameter in der Praxis (Schnittgeschwindigkeit und Vorschub) Werkstoff: Ck45 Werkstoff: GGG Schnittgeschwindigkeit [m/min] 0 Drehen Bohren Reiben Fräsen Fräsen Drehen Gewindebohren Gewindebohren f = P (DIN13) Schnittgeschwindigkeit [m/min] Reiben Drehen Fräsen Bohren Fräsen Drehen f = P (DIN13) Der Bereich der verwendbaren Schnittgeschwindigkeit ist bei der Zerspanung von Sphäroguss größer als bei Vergütungsstahl. 1,0 0,01 0,1 Vorschub [mm/u] 1,0 1,0 0,01 0,1 Vorschub [mm/u] 1,0 Folie 5 2

3 Schnittenergie unterschiedlicher Verfahren in Abhängigkeit von der max. Schnittleistung 0000 log Ec Schnittenergie Ec [kj] konv. Bearbeitung GGG60 Ck45 Bearbeitung GGG60 Ck45 E cmax E cmin kleinere Werte für E cmin nicht praxisrelevant Pc max = F c max v c max Pcmax V Ec = = k c V v A c 1 Drehen Fräsen Bohren Reiben Gewindebohren Die höchsten Schnittenergiewerte werden beim konventionellen Drehen erreicht. Bei der -Bearbeitung werden trotz der höheren Schnittleistung niedrigere Schnittenergiewerte erreicht als bei der konventionellen Bearbeitung. Dies ist durch die kleineren möglichen Spanquerschnitte bedingt. Folie 6 Schnittenergie unterschiedlicher Verfahren mit konstantem Querschnitt (A=1 mm²) 0000 log Ec Schnittenergie Ec [kj] konv. Bearbeitung GGG60 Ck45 Bearbeitung GGG60 Ck45 E cmax E cmin kleinere Werte für E cmin nicht praxisrelevant Pc max = F c max v c max Pcmax V Ec = = k c V v A c 1 Drehen Fräsen Bohren Reiben Gewindebohren Die auf 1mm2 Spanungsquerschnitt bezogenen Schnittenergiewerte geben Auskunft über die thermische Belastung der Schneide und den Wärmeeintrag in das Werkstück. Aufgrund der hohen möglichen Schnittgeschwindigkeit, dem wesentlich größeren Spanungsquerschnitt und dem somit größeren Spanungsvolumen kommt es beim Bohren zu höheren bezogenen Schnittenergiewerten, als bei den Fertigungsverfahren Reiben und Gewindebohren. Folie 7 3

4 Korrelation zwischen der Eignung der Fertigungsverfahren zur Trockenzerspanung und Schnittenergiewerten Kühlwirkung Spülwirkung Schmierwirkung Einsparung beim Einsatz der Trockenzerspanung Schnittenergie Eignung der Fertigungsverfahren zur Trockenzerspanung Drehen Fräsen Bohren Reiben Gewindebohren Die Eignung der Fertigungsverfahren zur Trockenzerspanung steigt mit mit der der Möglichkeit des des Einsatzes höherer Schnittparameter. Bei Fertigungsverfahren mit hohen Schnittenergiewerten wird primär die die Kühlfunktion des KSS benötigt. Die Spülwirkung (Transportfunktion) des KSS wird bei allen Fertigungsverfahren benötigt. Bei Fertigungsverfahren mit niedrigen Schnittenergiewerten wird primär die Schmierfunktion des KSS benötigt. Folie 8 Drehmomente beim Umformen mit unterschiedlichen Umformgeschwindigkeiten und verschiedenen MMS-Ölen Werkstoff: St E 460 MMS-System: TKM Aerosol Booster Werkzeug: Gew.-Furcher M12 Fa. Prototyp TiN-besch. Kernbohrung : Ø 11,3 mm a p = 16 mm v c = m/min Maschine: BAZ Maho-Mat Vertikalspindel MMS-Öl 1 MMS-Öl 2 MMS-Öl 3 MMS-Öl 4 Drehmoment [Nm] Bereich optimaler Drehmomente 20 v c 20 v c 20 v c 20 v c 20 v c 20 v c 25 v c 25 v c 25 v c 25 v c 25 v c 30 Umformgeschwindigkeit [m/min] Die Qualität der MMS-Öle hat einen entscheidenden Einfluss auf die Standzeit der Werkzeuge. Bei einer Umformgeschwindigkeit von m/min werden die niedrigsten Drehmomente erreicht. v c 30 v c 30 v c 30 v c 30 v c 35 v c 35 v c 35 v c 35 v c 35 Folie 9 4

5 Zusammenfassung der Ergebnisse Minimalmengenschmierung Der Einsatz der Minimalmengenzuführung ist insbesondere bei den Fertigungsverfahren bei denen die Schmierwirkung des KSS primär gefordert wird notwendig. Zur Erzeugung eines präzisen Sprühstrahls ist die Düsentechnologie entscheidend. Beim Gewindebohren mit MMS ist eine Standzeitverlängerung um Faktor, beim Bohren ins Volle um den Faktor 2, verglichen mit der Trockenzerspanung zu erreichen. Bei der Auswahl der Geräte ist auf ein schnelles Ansprechen des MMS- Systems zu achten. Folie Temperaturverlauf in Abhängigkeit vom Verschleiß bei der Nasszerspanung 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 Max.Wert:32,3 C Max.Wert:33,1 C Werkstoff: GGG 60 Bearbeitungsart: naß Schneidstoff: 3005 Schnitttiefe: a p = 3 mm Vorschub: f = 0,3 mm/u Schnittgeschw.: vc = 200 m/min Werkzeuggeometrie: rε = 1,2 mm εr = 80 αo = 6 γo = -6 κr = 95 κr`= 5 Verschleißmarkenbreite [mm] 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0, 0,05 0,00 Trend: Bei der Naßzerspanung ist kein signifikanter Einfluß des Werkzeugverschleißes auf die Temperaturmeßwerte zu sehen Schnittzeit [min] Max.Wert:33,3 C Folie 11 5

6 Temperaturverlauf in Abhängigkeit vom Verschleiß bei der Trockenzerspanung 0,50 0,45 0,40 0,35 Max.Wert:136,6 C Max.Wert:143,8 C Werkstoff: GGG 60 Bearbeitungsart: trocken Schneidstoff: 3005 Schnitttiefe: ap = 3 mm Vorschub: f = 0,3 mm/u Schnittgeschw.: vc = 250 m/min Werkzeuggeometrie: rε = 1,2 mm ε r = 80 α o = 6 γ o = -6 κ r = 95 κ r`= 5 Verschleißmarkenbreite [mm] 0,30 0,25 0,20 0,15 Max.Wert:169,7 C 0, 0,05 0,00 Trend: Bei der Trockenzerspanung nehmen mit zunehmendem Werkzeugverschleiß die Temperaturmesswerte zu. 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 Schnittzeit [m] Folie 12 Beeinflussung des Werkzeugwechselkriteriums in der Serienfertigung Werkzeugverschleiß - Einsatzdauer - Schnittparameter - Anschnitthäufigkeit -... Verschleiß VB t Organisatorische Einflussgrößen Organisation in der Fertigung Technologische Einflussgrößen Substrat - Hartmetall - HSS - Keramik Werkzeuge Qualitätsunterschiede beim Werkzeug - Substrat - Geometrie - Beschichtung Qualitätsunterschiede beim Nachschleifen oder Nachbeschichten Technologie Nasszerspanung/Trockenzerspanung Fertigungsverfahren Art der Bearbeitung: - Innen-/Außenbearbeitung - Unterbrochener/kontinuierlicher Schnitt Werkstücke Schmiede- und Gussoberfläche Chargenunterschiede des Werkstoffes Die Werkzeugstandzeit wird in der Serienfertigung sowohl durch technische als auch durch organisatorische Einflussgrößen bestimmt. Die organisatorischen Einflussgrößen dürfen im betrieblichen Einsatz nicht vernachlässigt werden. Unrundheit der Werkstücke Unterschiedliches Aufmaß der Werkstücke Folie 13 6

7 Beispiel Antriebskegelrad (1) Vordrehen: Sitz für Keilwellenprofil, Gewindesitz (2) Vordrehen: Schräge, Planfläche, Lagersitz (3) Vordrehen: Planflächen, Ritzelkopflager Schlichten: Kopfkegel, Planflächen, Ritzelkopflager (4) Schlichten: ges. Schaftdurchmesser, Gewindesitz Folie 14 Standzeiten und VB-Entwicklung der WSP beim Trockendrehen von Antriebskegelräder Bauteil: Antriebskegelrad Material: 25MoCr4 Maschine: Boehringer VDF WSP: HM, TiN beschichtet T= 16,5 min 25 T= 56 min 15 Eingriffslänge [m] 5 T= 27 min WNMG (2) T= 19 min T= 9,5 min 0,6 0,4 0,2 0 1,2 1 0,8 Verschleißmarkenbreite [mm] WNMG (1) ap= 2,3 mm vc= 280 m/min f = 0,35mm DNMG ap= 2,3 mm vc= 280 m/min f = 0,35mm DNMG (1) ap= 0,5 mm vc= 120 bis 150 m/min f = 0,3 mm DNMG (2) ap= 0,5 mm vc= 280 m/min f = 0,2 bis 0,35 mm WNMG (2) ap= 2,3 mm vc= 1 bis 280 m/min f = 0,18 mm WNMG DNMG (1) DNMG DNMG (1) (2) Der Einsatz von HM-Wendeplatten bei einer für die Trockenzerspanung ausgelegten Fertigung ist wirtschaftlich. Der Bereich des optimalen Spanbruches ist bei der Trockenzerspanung geringer als bei der Nasszerspanung. Folie 15 7

8 Standzeiten und VB-Entwicklung beim Drehen von Bremsscheiben T= 30 min 0,7 DNMX ap= 2,5 mm vc= 00 m/min f = 0,45 mm/umdr. Bauteil: Bremsscheibe Material: GG25 (hoher Nb- und Cr-Anteil) Maschine: EMAG VSC 630 WSP: Keramik SNMX SNGN RCGN M0 DNMX T= 20 min T= 45 min 0,6 T= 38 min 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Eingriffslänge [m] Verschleißmarkenbreite [mm] RCGN M0 ap= 2,0 mm vc= 600 m/min f = 0,30 mm/umdr. SNGN ap= 1,0 mm vc= 00 m/min f = 0,30 mm/umdr. SNMX ap= 2,5 mm vc= 900 m/min f = 0,40 mm/umdr. Der Einsatz von Keramik-Wendeplatten bei der Trockenzerspanung ist auch bei hohen Schnittgeschwindigkeiten wirtschaftlich. Folie 16 Versuch Trockenzerspanung Bauteil Lagerdeckel Bohren Lochkreis: Bohren ABS-Bohrung: Senken: Fräsen: Reiben: VHM Stufenbohrer TiN-Beschichtung D 1 =,5 mm, D 2 = 12,0 mm a p = 9,5 mm v c = 80 m/min f = 0,16 mm/umdr. VHM-Stufenbohrer TiN-Beschichtung D 1 =17 mm, D 2 = 19 mm a p = 30 mm v c = 80 m/min f = 0,25 mm/umdr. WSP-Stirnfräser TiN-Beschichtung D= 20 mm a p = 1,0 mm v c = 120 m/min fz= 0,15mm/Zahn Wälzfräser mit HM-WSP TiN-Beschichtung D= 40 mm z= 3 v c = 185 m/min f z = 0,25mm/Zahn HM-Sonderreibahle, unbeschichtet D= 18 mm z= 5 v c = 60 m/min f z = 0,20mm/Zahn Bauteil Lagerdeckel Maschine: BAZ Heller Bauteil: Lagerdeckel Material: GGG60 Versuchsergebnis Aufspannsituation Bei sämtlichen Bearbeitungen wurden mit Trockenzerspanung gleiche Standzeiten erreicht wie mit der Nasszerspanung. Aufgrund der Aufspannsituation (9 Werkstücke/ Vorrichtung) gab es Probleme bei der Spanentfernung. Durch das Fehlen einer Absaugung kam es zu störender Staubentwicklung. Das Festsetzen eines Indexierstiftes - wegen fehlender Schmierung durch das KSS - führte zu einer Kollision und zum Abbruch des Versuches. Folie 17 8

9 Bauteil Bremsscheibe Bohren Standweg [m] VE [1/0mm] Bohrer A [v c 80; f 0,4] Verschleißentwicklung beim Trockenbohren und Gewindefräsen von Bremsscheiben Bohrer B [v c 80; f 0,6] Schneideckenverschleiß VE = 0,4 mm Bohrer C [v c 70; f 0,35] Maschine: Bauteil: Material: Werkzeuge Bohrer D [v c 80; f 0,4] 180 CNC Stama Bremsscheibe GG25 (hoher Nb- und Cr-Anteil) Bohren:VHM Bohrer TiAlN-Beschichtung D= 12,5 mm ap= 27,5 mm Fräser: VHM-Fräser z = 4 Gewindefräsen M14 [v c 60; f z 0,03] Die Auslegung der Werkzeuggeometrie und die Anpassung der Schnittparameter haben einen großen Einfluss auf die Standzeit. Durch Verfahrenssubstitution (z. B. Gewindefräsen statt Gewindebohren) kann Trockenzerspanung wirtschaftlich eingesetzt werden Gewindefräsen Standweg [m] Folie 18 Potentiale der Trockenzerspanung Technische und organisatorische Maßnahmen beim Einsatz der Trockenzerspanung Kosteneinsparung Entfall der: KSS-Beschaffung KSS-Aufbereitung KSS-Entsorgung Reduzierung der Gemeinkosten Steigerung der Produktivität Reduzierung der Fertigungszeiten durch Veränderung der Schnittparameter Substitution von Fertigungsverfahren Hartbearbeitung statt Schleifen Gewindefräsen statt Gewindebohren od. -formen Ausspindeln statt Innenreiben Reduzierung des Krankheitsstandes durch Vermeidung von Hauterkrankungen aufgrund des Kontaktes mit KSS Reduzierung der direkten Personalkosten und der Maschinenkosten Kapazitätserhöhung Reduzierung der kalk. Kosten: Investitionen Stückkosten Reduzierung der Gemeinkosten Erhöhung des ROI (Return on Invest) Beitrag zum Umweltschutz Verbesserung des Betriebsklimas Erhöhung der Motivation der Mitarbeiter Potentiale Folie 19 9

10 Zusammenfassung und Ausblick Durch den gezielten Einsatz der Trockenzerspanung können in der Fertigung Kosten eingespart werden, es kann ein Beitrag zur umweltfreundlichen Zerspanung geleistet werden. Der erfolgreiche Einsatz der TZ ist insbesondere bei Neuplanungen zu erreichen. Durch den Einsatz der Minimalmengenschmierung werden bei allen Fertigungsverfahren die Standzeiten erhöht. Um ein Optimum an Standzeit zu erreichen, muss das Zusammenspiel von MMS-Ölen, Werkzeuggeometrien und Schnittparameter sehr genau aufeinander abgestimmt sein. Eine generelle Umstellung der Fertigung von Nass- auf Trockenzerspanung ist aus heutiger Sicht technisch und wirtschaftlich nicht realisierbar. Ein Anteil der Trockenzerspanung von 20 25% in der Serienfertigung ist in den nächsten Jahren durch die gezielte Neuplanung von Maschinen jedoch realistisch. Die große Bandbreite der Kosten für die KSS-Bewirtschaftung in der deutschen Automobilindustrie (2-17% der Herstellkosten) lässt eine einheitliche Kostenaussage nicht zu. Die Wirtschaftlichkeit der Trockenzerspanung muss im Einzelfall überprüft werden. Folie 20