Finishbearbeitung auftraggeschweißter Bauteiloberflächen

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1 Finishbearbeitung auftraggeschweißter Bauteiloberflächen Frank Barthelmä, Mario Schiffler, Steffen Reich, Heiko Frank GFE Gesellschaft für Fertigungstechnologie und Entwicklung Schmalkalden e.v. Kontakt: Heiko Frank GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Näherstiller Str Schmalkalden h.frank@gfe-net.de 1. Auftragschweißen Prinzip des Auftragschweißens - Erzeugung einer Verbindung zwischen einem metallischen Substrat und dem Beschichtungswerkstoff - Beim Auftragschweißen werden die Fügepartner aufgeschmolzen und bilden im Kontaktbereich eine Legierungszone - Auftragschweißen ist möglich, wenn beide Werkstoffe schweißbar sind - Schichtdicke 0,5 50 mm Beispiel Gas-Auftragschweißen

2 1. Auftragschweißen Anwendungsbeispiele des Auftragschweißens - Verschleiß- und Korrosionsschutz von Bauteiloberflächen - Beschichtung beschädigter Bauteile (Reparaturschweißen) möglich Rohraußenbeschichtung zum Verschleißschutz Reparatur Werkzeughalter Beschichtung Schneidmesser Auftraggeschweißte Oberfläche muss bearbeitet werden! 2. Herausforderungen bei der Finishbearbeitung Verfahren zur Finishbearbeitung Schleifen/ Erodieren Spanen Soll Schleifbrand und Rissbildung beim Auftragschweißen einer WC-Schicht - Geeignete Parameter notwendig - Beeinflussung der Schichteigenschaften - Geringe Abtragleistung Zeitaufwendig und teuer - Geringe Prozesssicherheit - ungleichmäßige Oberflächenqualität - Bearbeitung von Hart-Weich Übergängen hohe Werkzeuganforderungen Ist

3 2. Herausforderungen bei der Finishbearbeitung Vergleich der Verfahren Kenngröße Spanen Schleifen /Erodieren Fertigungszeit Gering Hoch Zeitspanvolumen Hoch Gering Oberflächenqualität / Genauigkeit Gering Hoch Prozesssicherheit Gering Hoch Wirtschaftlichkeit Hoch Gering Herausforderung bei der Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Bearbeitung Zonenübergänge Hohe Verschleißbeständigkeit Hoher Werkzeugverschleiß Neue Werkzeuge und Technologien zur Finishbearbeitung 3. Finishbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Vorgehensweise zur Entwicklung neuer Werkzeuge und Technologien angepasste Werkzeuge Prozesssimulation Schichtentwicklung Vor- / Nachbehandlung Zerspantechnologie Werkzeug- Makrogeometrie Verschiedene Konzepte Simulation mit AdvantEdge Optimierung von Werkzeug und Prozess PVD-Schichten Verschiedene Schichtkonzepte Anpassung Mikrogeometrie und Rauheit Fräsen von Modellproben (PPA von FeV12)

4 3. Finishbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Angepasste Werkzeuggeometrien Relevante Parameter aus der Sicht des Anwenders - Schneidenanzahl Wärmetransport, Verschleißverhalten - Nutgestaltung Spanformung, Spantransport - Drallwinkel Spanformung, Spankräfte, Oberflächenqualität - Auslegung Schneidkeils Spanbildung, Standzeit, Oberflächenqualität - Substratwerkstoff Standzeit, Prozessstabilität Erarbeitung verschiedener Geometrien 3. Finishbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Prozesssimulation - Nutzung der Software AdvantEdge - Ermittlung relevanter Kenngrößen (Kraft, Temperatur) - Vorhersage Spanbildung - Anpassung Werkzeuggeometrie - Optimierung Prozessparameter Werkzeuggeometrie Werkzeugdurchmesser 10 mm Anzahl Schneiden 6 Spanwinkel 3 Freiwinkel 10 Kerndurchmesser 7 mm Drallwinkel 45 axialer Freiwinkel 8 Schneidkantenradius 5-8 µm Werkstoffe Werkstoff Werkzeug Hartmetall (Feinstkorn) Werkzeugbeschichtung AlTiN, 0,8 µm Werkstoff Werkstück S355J2/St52-3 Auftragsgeschweißte Schicht FeCrV12 /30 % VC Prozessparameter Drehzahl 3501 U/min Vorschub pro Schneide 0,05 mm Eingriff ae max. 0,5*D mm Tiefe ap 0,5 mm Relevante Parameter Berechnete Temperaturverteilung Modellgeometrie

5 3. Finishbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Prozesssimulation - Simulationsergebnisse - Temperatur und Prozesskräfte werden beeinflusst durch: - Werkzeuggeometrie, Werkzeug- und Werkstückwerkstoff - Prozessparameter (Eingriffstiefe a p, Schnittgeschwindigkeit v c Zahnvorschub f z ) - Mit höherer Prozessgeschwindigkeit steigen die Prozesstemperaturen - Mit höherer Prozesstemperatur sinken Härte und auftretende Kräfte - Gute Übereinstimmung mit ebenfalls durchgeführten Kraftmessungen im Prozess - reduzierte Zahnvorschübe (f z =0,02 mm) und geringere Schnittgeschwindigkeiten - Reduzierung von Kraft- und Temperaturunterschieden in der Hart-Weich-Bearbeitung 3. Finishbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide Neuartige Schichtsysteme - Nanostrukturierte Schichten verbesserte Verschleißbeständigkeit - Kohlenstoffhaltige Schichten reduzierte Reibung - Mehrlagige Systeme höhere Rissbeständigkeit - Schichten können haftfest abgeschieden werden - Gutes Verschleißverhalten im Modelltest nachgewiesen TiXCo 3 TiCN Verschleißkoeffizient (Kalotest) naco 3

6 4. Einsatzuntersuchungen Versuchsbedingungen - FeV12-beschichteter St37- Probekörper - Definierter Härteverlauf - Nutzung verschiedner Werkzeugsubstrate: - Hartmetall (Co-Anteil 8 bzw. 10 %, Feinstkorn HM) - Variation der Werkzeuggeometrie - Unterschiedliche Längen, Zähnezahl, Frei- und Spanwinkel - Optimierte Zerspanparameter (entsprechend Simulation) v c (m/min) f z (mm) a e (mm) a p (mm) Kühlung Bisher 40 0,02 1,0 6,0 trocken neu 251 0,0625 0,2 8,0 Kaltluftdüse 4. Einsatzuntersuchungen Verschleißverhalten - Verbesserung des Verschleißverhaltens höherer Standweg - Stabile Schneide höhere Prozesssicherheit

7 4. Einsatzuntersuchungen Standwegerhöhung durch - Angepasste Werkzeuggeometrie und optimierte Werkzeugsubstrate - Optimierte Prozessparameter - Neue Hartstoffbeschichtung 5. Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung - Finishbearbeitung FeV12-auftraggeschweißter Bauteile mittels Fräsen möglich - Nutzung von Verbesserter Werkzeuggeometrie und Substratwerkstoffe Angepasste Prozessparameter und Bearbeitungsstrategie Nutzung der Simulation zur Optimierung von Werkzeuggeometrie und Spanparametern Neue PVD Schichtsysteme - Deutliche Erhöhung der Werkzeuglebensdauer Ausblick - Durchführung von Einsatztests bei verschiedenen Anwendern - Übertragung auf weitere Werkstoffe für das Auftragschweißen Ersatz des Schleifens durch die Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide ist möglich

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