Werkstoffeigenschaften und Spanbildung bei der Dreh- und Bohrungsbearbeitung antriebstechnischer Bauteile

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1 Werkstoffeigenschaften und Spanbildung bei der Dreh- und Bohrungsbearbeitung antriebstechnischer Bauteile Vom Fachbereich Produktionstechnik der UNIVERSITÄT BREMEN zur Erlangung des Grades Doktor-Ingenieur genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Paul Georg Diersen 1. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. habil E. Brinksmeier 2. Gutachter: Prof. Dr.-Ing. B. Denkena (Universität Hannover) Tag der mündlichen Prüfung:

2 Forschungsberichte aus der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen Band 15 Paul Diersen Werkstoffeigenschaften und Spanbildung bei der Dreh- und Bohrungsbearbeitung antriebstechnischer Bauteile. D 46 (Diss. Universität Bremen) Shaker Verlag Aachen 2003

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Diersen, Paul: Werkstoffeigenschaften und Spanbildung bei der Dreh- und Bohrungsbearbeitung antriebstechnischer Bauteile / Paul Diersen. Aachen : Shaker, 2003 (Forschungsberichte aus der Stiftung Institut für Werkstofftechnik Bremen ; Bd. 15) Zugl.: Bremen, Univ., Diss., 2002 ISBN X. Copyright Shaker Verlag 2003 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN X ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

4 Vorwort Die vorliegende Dissertationsschrift beruht auf Ergebnissen aus meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Stiftung Institut für Werkstofftechnik (IWT), Hauptabteilung Fertigungstechnik, Universität Bremen. Die durchgeführten Forschungsarbeiten wurden finanziell maßgeblich von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und von der Forschungsvereinigung der Arbeitsgemeinschaft der Eisen und Metall verarbeitenden Industrie (AVIF) unterstützt und in den Arbeitskreisen Fertigungstechnik und Werkstoffe der Forschungsvereinigung Antriebstechnik (FVA) betreut. Den genannten Förderern und den beteiligten Industrieunternehmen sei hiermit aufrichtig gedankt. Dem Leiter der Hauptabteilung Fertigungstechnik des IWT, Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. E. Brinksmeier, gilt mein Dank für sein Engagement als Berater und Gutachter in meinem Dissertationsverfahren. Weiterhin danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Denkena für die Übernahme des Korreferats sowie den anderen Mitgliedern des Prüfungsausschusses Herrn Prof. Dr.-Ing. B. Kuhfuß, Herrn Priv.-Doz. Dr.-Ing. F. Hoffmann, Herrn Dr.-Ing. Jochen Eckebrecht und Herrn cand. Ing. Jens-Walter Huntemann. Mein ausdrücklicher Dank gilt ferner allen Kollegen und Mitarbeitern des Instituts, die mich durch fachliche Kritik und praktische Hinweise in freundschaftlicher Weise unterstützt haben. Namentlich seien hier besonders Frau Dipl.-Ing. Anorte Schepers, Herr Dipl.-Ing. Eckhard Berthold, Herr Dipl.-Ing. Andrej Gorzawski, Herr Winfried Wiesner und Herr Dipl.-Ing. Marco Schünemann aufgeführt. Ganz besonders danken möchte ich auch allen wissenschaftlichen Hilfskräften sowie Studien- und Diplomarbeitern, die durch ihren exzellenten Einsatz einen wesentlichen Beitrag für diese Arbeit geleistet haben. Hier seien Frau Dipl.-Ing. Katja Thöns, Herr Dipl.-Ing. Uwe Bera, Herr Dipl.-Ing. Christian Rohde und Herr Michael Hölling genannt. Meinen Eltern danke ich für die großzügige Unterstützung, die mir den bisherigen Lebensweg ermöglicht hat. Für ihre Unterstützung und Motivation zur Fertigstellung dieser Doktorarbeit danke ich Brigitte. Bremen, im November 2002 Paul Diersen

5 Inhaltsverzeichnis 0 Formelzeichen und Abkürzungen... III 1 Einleitung Stand der Kenntnisse Stand der Technik Prozeßkette für antriebstechnische Bauteile Einflußgrößen und Beurteilungskriterien der Zerspanbarkeit Stand der Wissenschaft Spanbildung Spanbildungmechanismus segmentierter Späne Einfluß der Schnittgeschwindigkeit auf die Spanbildung Werkstoffeinfluß auf die Zerspanbarkeit Gefügeausbildung und Legierungsbestandteile Einfluß des Schwefelgehaltes auf die Zerspanbarkeit Prozeßführung und Werkstoffbeeinflussung bei der Hartbearbeitung Schneidstoffe für die Hartbearbeitung Bohrungshartbearbeitung mittels Hartreiben Zusammenfassende Beurteilung des Standes der Wissenschaft Problemstellung und Zielsetzung Versuchsumfeld Versuchsmaschinen Meß- und Analysegeräte Einfluß der Prozeßführung und charakteristischer Werkstoffeigenschaften auf die Spanbildung beim Außenlängsdrehen Versuchsdurchführung Einfluß der Schnittparameter auf die Spanbildung Einfluß charakteristischer Werkstoffkenngrößen auf die Spanbildung Einfluß der Vergütungshärte auf die Spanbildung Einfluß der Carbideinformung auf die Spanbildung Einfluß des Restaustenitanteils auf die Spanbildung Einfluß der Ferritkorngröße auf Spanbildung Einfluß der Temperaturleitfähigkeit auf die Spanbildung Fazit der Analysen und Bewertung der Spanbildungsergebnisse Einfluß des Schwefelgehaltes auf die Zerspanbarkeit bei Bohrungs- und Drehbearbeitung Versuchswerkstoffe Untersuchungen zum Bohren schwefelarmer Stähle Versuchsdurchführung Zerspankräfte beim Bohren Werkzeugverschleiß beim Bohren I

6 Inhaltsverzeichnis Spanbildung beim Bohren Qualität der Bohrungen Untersuchungen zum Drehen schwefelarmer Stähle Untersuchungen zum Abstechdrehen Versuchsdurchführung Zerspankräfte beim Abstechdrehen Werkzeugverschleiß beim Abstechdrehen Spanbildung beim Abstechdrehen Untersuchungen zum Hartdrehen Versuchsdurchführung Zerspankräfte beim Hartdrehen Werkzeugverschleiß beim Hartdrehen Fazit zu den Zerspanbarkeitsergebnissen schwefelarmer Stähle Prozeßführung und Bauteilqualität bei der Bohrungsfeinbearbeitung durch Hartreiben Anforderungen an die Prozeßführung beim Hartreiben Versuchsdurchführung Einfluß der Schnittparameter auf das Arbeitsergebnis Einfluß der Schnittparameter auf die Zerspankräfte Einfluß der KSS-Strategie auf das Arbeitsergebnis Spanbildung beim Hartreiben Einfluß des Werkzeugverschleißes auf die Bauteilqualität Versuchsdurchführung Einfluß des Werkzeugverschleißes auf die Maßhaltigkeit Einfluß des Verschleißes auf die Oberflächengüte und Formtoleranz Randzonenbeeinflussung in Abhängigkeit vom Werkzeugverschleiß Umsetzung der Ergebnisse in die industrielle Praxis Versuchsdurchführung Bauteilqualität der Bohrungen Ausblick und Hinweise für weitere industrielle Anwendungen Fazit der Ergebnisse zur Bohrungsfeinbearbeitung durch Hartreiben Zusammenfassung Literatur Anhang Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zum Hartreiben Schnittzeiten beim Hartreiben Gesamtkostenbetrachtung Vergleich mit bisherigen Hartbearbeitungsverfahren II

7 0 Formelzeichen und Abkürzungen 0 Formelzeichen und Abkürzungen Formelzeichen α [ ] Freiwinkel β [ ] Keilwinkel γ [ ] Spanwinkel ε [ ] Eckenwinkel κ [ ] Einstellwinkel λ [ ] Neigungswinkel λ h - Spanstauchung φ [ ] Scherwinkel A [mm 2 ] Spanungsquerschnitt A c1 [ C] Austenitisierungstemperatur a p [mm] Schnittiefe d [mm] Bohrungsdurchmesser D [mm] Werkzeugdurchmesser E [J] Energie f [mm] Vorschub F [N] Kraft F A [N] Reibkräfte in axialer Richtung F c [N] Schnittkraft F f [N] Vorschubkraft F i [N] Anteile der Zerspankraft F i, [N] statischer Anteil der Zerspankraft F i,dyn [N] dynamischer Anteil der Zerspankraft F p [N] Passivkraft F q [N] Querkraft F T [N] Reibkräfte in tangentialer Richtung Gs - Segmentierungsgrad h [mm] Spanungsdicke h [mm] Spandicke h 1 [mm] maximale Spandicke h 2 [mm] minimale Spandicke KB [mm] Kolkbreite k c1.1 [N/mm ² ] spezifische Schnittkraft K F [ ] Fertigungskosten K L [ ] Lohnkosten KL [mm] Kolklippenbreite K M [ ] Maschinenkosten KM [mm] Kolkmittenabstand 8 III

8 0 Formelzeichen und Abkürzungen KT [mm] Kolktiefe K W [ ] Werkzeugkosten K WE [ ] Beschaffungswert des Werkzeugzubehörs K WH [ ] Beschaffungswert des Wendeplattenhalters K WP [ ] Beschaffungswert einer Wendeplatte K WT [ ] Werkzeugkosten je Standzeit K WV [ ] Voreinstellkosten je Standzeit K X [ ] Restfertigungsgemeinkosten l [mm] Bohrungslänge L f [m] Bohrweg L S [m] Spanungslänge l t [mm] Tastweg M c [Nm] Schnittmoment M d [Nm] Drehmoment M R [Nm] Reibmoment n [min -1 ] Drehzahl n P [ - ] Anzahl Wendeplatten je Werkzeug n TE [ - ] Standzeiten (Einsätze) des Zubehörs n TH [ - ] Standzeit des Wendeplattenhalters n TP [ - ] Schneidkanten je Wendeplatte n WT [ - ] Anzahl der Werkstücke je Standzeit P [kw] Leistung Q [As] Ladung r ε [mm] Schneideckenradius r E [mm] Eckenradius der Führungsleisten Ra [µm] Mittenrauhwert Rt [µm] kinematische Rauhtiefe Rth [µm] theoretische Rauhtiefe Rz [µm] gemittelte Rauhtiefe T [min] Standzeit t c [min] Schnittzeit tp [%] Profiltraganteil t eb [min] Maschinenbelegungszeit je Einheit U [V] Spannung v HSC [m/min] Schnittgeschwindigkeit, ab der HSC-Bedingungen vorliegen v trans [m/min] Schnittgeschwindigkeit, ab der der Übergang zum HSC-Bereich beginnt VB [mm] Verschleißmarkenbreite VB c [mm] Verschleißmarkenbreite an der Schneidecke VB max [mm] maximale Verschleißmarkenbreite IV

9 0 Formelzeichen und Abkürzungen v c [m/min] Schnittgeschwindigkeit v f [m/min] Vorschubgeschwindigkeit v Sp [m/min] Spanablaufgeschwindigkeit ω [s -1 ] Winkelgeschwindigkeit Abkürzungen A/D Al Al 2 O 3 As BG BNX C CBN Co Cr Cu DBC DH Fe FeS GKZ HB HC HRB HRC HSS HV HW KSS MMKS Mn MnS Mo N Nb Ni P PKB PKD Analog/Digital Aluminium Aluminiumoxid Arsen Behandelt auf Gefüge Kubisches Bornitrid der Fa. Sumitomo Kohlenstoff Kubisches Bornitrid Kobalt Chrom Kupfer Kubisches Bornitrid der Fa. De Beers Doppelhub Eisen Eisensulfid Geglüht auf kugeliges Zementit Härteprüfung nach Brinell Hartmetall, beschichtet Härteprüfung nach Rockwell (Stahlkugel) Härteprüfung nach Rockwell (Diamant) Schnellarbeitsstahl Härte Vickers Hartmetall, unbeschichtet Kühlschmierstoff Minimalmengenkühlschmierung Mangan Mangansulfid Molybdän Stickstoff Niob Nickel Phosphor Polykristallines Bornitrid Polykristalliner Diamant V

10 0 Formelzeichen und Abkürzungen REM S Si Sn Ta Ti TiAlN TiC TiCN TiN V W WC WSP WST WZ Rasterelektronenmikroskop Schwefel Silicium Zinn Tantal Titan Titanaluminiumnitrid Titankarbid Titancarbonitrid Titannitrid Vanadium Wolfram Wolframkarbid Wendeschneidplatte Werkstück Werkzeug VI