Verbesserung des Zerspanverhaltens von Werkzeugen mit Hartmetall-Schneidelementen durch Variation der Schleifbearbeitung

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1 Jandrey Maldaner Verbesserung des Zerspanverhaltens von Werkzeugen mit Hartmetall-Schneidelementen durch Variation der Schleifbearbeitung kassel university press

2 Die vorliegende Arbeit wurde vom Fachbereich Maschinenbau der Universität Kassel als Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) angenommen. Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Franz Tikal Zweiter Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Bernd Klein Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach Prof. Dr.-Ing. Eberhard Pauksch Tag der mündlichen Prüfung 20. Juni 2008 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar Zugl.: Kassel, Univ., Diss ISBN URN: urn:nbn:de: , kassel university press GmbH, Kassel Druck und Verarbeitung: Unidruckerei der Universität Kassel Printed in Germany

3 Vorwort Vorwort Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Bediensteter im Fachgebiet Produktionstechnik und Werkzeugmaschinen des Institutes für Produktionstechnik und Logistik (IPL) der Universität Kassel. Mein besonderer Dank gilt dem Fachgebietsleiter Prof. Dr.-Ing. Franz Tikal für seine Unterstützung und die hilfreichen Anregungen, die diese Arbeit ermöglichten. Herrn Prof. Dr.-Ing. Bernd Klein danke ich für die Übernahme des Koreferates sowie die eingehende Durchsicht des Manuskriptes. Den Herren Prof. Dr.-Ing. Jens Hesselbach und Prof. Dr.-Ing. Eberhard Paucksch danke ich für die Bereitschaft zur Teilnahme an der Prüfungskommission. Mein Dank gilt weiter dem Kollegium des Institutes, das durch die fruchtbaren Diskussionen und Anregungen zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat. Danken möchte ich auch allen wissenschaftlichen und studentischen Hilfskräften sowie den Studien- und Diplomarbeitern für die wertvollen Anregungen und die tatkräftige Unterstützung bei der Durchführung der experimentellen Untersuchungen. Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern, die meine Ausbildung ermöglicht haben und mich stets auf vielfältige Weise unterstützt haben. Schließlich bedanke ich mich bei meiner Helene und meiner Familie, deren Geduld und liebevolle Unterstützung Voraussetzung für die Fertigstellung dieser Arbeit waren.

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5 Verzeichnisse V Verzeichnisse Formelzeichen und Symbole Symbol Einheit Bedeutung a mm Druckflächenradius A % Bruchdehnung A, B, C - Koeffizienten des Johnson-Cook Modells a eff1, a eff2 mm Zustellung Freifläche a esf1, a esf2 mm Zustellung Spanfläche a p mm Schnitttiefe A V J Kerbschlagbarkeit b S1, b S2 mm Belagbreite Schleifscheibe C g/cm³ Kornkonzentration der Schleifscheibe d mm Durchmesser des Werkzeugs D nm Netzebenenabstand D 0 nm Netzebenenabstand des unverspannten Kristallgitters D 1 mm Kernbohrung d G µm Diamantkorngröße d S1, d S2 mm Außendurchmesser Schleifscheibe E 1 N/mm² Elastizitätsmodul Körper 1 E 2 N/mm² Elastizitätsmodul Körper 2 F N Kraft, Zerspankraft, Anpresskraft F a N Aktivkraft F C N Schnittkraft F F N Vorschubkraft

6 VI Einleitung F N N Normalkraft F P N Passivkraft F R N Reibkraft FR - Frei- und Verschleißflächenreibung FS - Spanflächenreibung F X N Kraft in x-richtung F Y N Kraft in y-richtung f Z µm Zustellung F Z N Kraft in z-richtung h mm Spanungsdicke h mm Spandicke h cu µm mittlere Spanungsdicke H mm Gewindehöhe HV - Härte nach Vickers k c1.1 N/mm² Spezifische Schnittkraft l t mm Taststreckenlänge m, n - Exponenten des Johnson-Cook Modells P mm Steigung p max N/mm² maximale Flächenpressung Q s J, Ws Wärmemenge Schleifscheibe Q sp J, Ws Wärmemenge Span Q u J, Ws Wärmemenge Umgebung Q w J, Ws Wärmemenge Werkstück r β mm Schneidkantenradius r 1 mm Krümmungsradius Körper 1 R1 mm Krümmungsradius Werkzeug r 2 mm Krümmungsradius Körper 2 R2 mm Krümmungsradius Versuchswerkstoff R a µm arithmetischer Mittenrauwert r a1 mm Krümmungsradius Werkzeug r a2 mm Krümmungsradius Werkzeug r b1 mm Krümmungsradius Versuchswerkstoff

7 Verzeichnisse VII r b2 mm Krümmungsradius Versuchswerkstoff RBS - Reibung Bindung Span R e N/mm² Streckgrenze R m N/mm² Zugfestigkeit R max µm maximale Rautiefe R s,max µm maximale Schartentiefe R s,z µm gemittelte Schartentiefe R z µm gemittelte Rautiefe SE - Scherenenergie SV mm Schneidkantenversatz T C Temperatur T Schmelz C Schmelztemperatur T Umgebung C Umgebungstemperatur T µ µm Schnitteinsatztiefe t c s Schnittzeit t v mm Verformungstiefe VB mm Verschleißmarkenbreite VB max mm Maximale Verschleißmarkenbreite v c m/s Schnittgeschwindigkeit v c1, v c2 m/s Schnittgeschwindigkeit beim Schleifen v e mm/s Wirkgeschwindigkeit VE - Verformungsenergie v f m/s Vorschubgeschwindigkeit v f1, v f2 m/min Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen v fa mm/min axiale Vorschubgeschwindigkeit v s m/s Schleifscheibegeschwindigkeit v sp m/min Spangeschwindigkeit v w m/s Werkstückgeschwindigkeit x, y, z - Koordinaten Z J Einschnürung α Grad Freiwinkel β Grad Keilwinkel

8 VIII Einleitung γ Grad Spanwinkel ε& 1/s Plastische Dehnungsgeschwindigkeit η Grad Wirkrichtungswinkel Θ Grad Braggwinkel, Einstrahlwinkel Θ o Grad Braggwinkel des unverspannten Kristallgitters ϑ Grad Anschnittwinkel к 1, к 2 Grad Einstellwinkel λ W/m.K Wärmeleitfähigkeit λ nm Wellenlänge λ c mm Grenzwellenlänge ν - Querkontraktionszahl σ N/mm² Spannung σ II N/mm² Werkstückeigenspannung parallel zur Bearbeitungsrichtung σ N/mm² Werkstückeigenspannung senkrecht zur Bearbeitungsrichtung σ 1, σ 2 N/mm² Hauptspannungen σ x, σ y, σ z N/mm² Normalspannungen τ xy, τ xz, τ yz, τ yx, τ zx, τ zy N/mm² Schubspannungen Φ Grad Scherwinkel

9 Verzeichnisse IX Abbildungen Abbildung 2-1: Spanbildungszonen /56/...4 Abbildung 2-2: Bildung von Aufbauschneiden /54/...4 Abbildung 2-3: Spanbildungszonen beim geometrisch unbestimmten Schneiden /54/...6 Abbildung 2-4: Fertigungsverfahren nach DIN 8580 /18/...7 Abbildung 2-5: Winkel am Schneidkeil...8 Abbildung 2-6: Mehrstufiger Anschnitt beim Reibwerkzeug /42/...9 Abbildung 2-7: Trapezförmiger Sägezahn...9 Abbildung 2-8: Schnitttiefe a p beim Reiben /42/...9 Abbildung 2-9: Aufteilung des Spanquerschnitts im Gewindegang auf die Schneiden eines 3stolligen Gewindebohrers /42/...10 Abbildung 2-10: Komponenten der Zerspankraft /25/ Abbildung 2-11: Gefügeaufbau eines WC-Co-Hartmetalls im Querschliff (rasterelektronenmikroskopische Aufnahme)...13 Abbildung 2-12: Abhängigkeit der Härte, der Biegebruchfestigkeit und der Druckfestigkeit von WC-Co-Hartmetallen vom Kobaltgehalt /46/.16 Abbildung 2-13: Belastungen beim Schleifprozess /22/...20 Abbildung 2-14: Gegenüberstellungen der wichtigsten Eigenschaften von Schleifkörnungen mit einem Idealkorn beim Schleifen von Metallen /21/...21 Abbildung 2-15: Eigenschaften der Idealbindung /21/...22 Abbildung 2-16: Schema der Schleifzone einer Schleifscheibe /28/...23 Abbildung 2-17: Schleifzerspanprozess nach /22/, /28/...24 Abbildung 2-18: Verteilung der Wärmeströme in der Schleifzone /28/...25 Abbildung 2-19: Verschleißmechanismen /11/...28 Abbildung 2-20: Verschleißformen am Schneidelement...31 Abbildung 2-21: Freiflächenversatz und Schneidkantenversatz...32 Abbildung 2-22: Charakteristische Verläufe verschiedener Randzoneneigenschaften /8/...33 Abbildung 2-23: Strahlengang bei der röntgenografischen Messung von Gitterdehnungen nach /7/. Links Röntgenbeugung am unverspannten Einkristallgitter, rechts Röntgenbeugung am verspannten Einkristallgitter...36 Abbildung 2-24: Schematischer Ablauf des Schneideneingriffs beim Schleifen nach /36/...38

10 X Einleitung Abbildung 3-1: CNC-Werkzeugschleifmaschine Abbildung 3-2: Versuchsmaschine Abbildung 3-3: Gefügeaufnahme C45E Abbildung 3-4: Gefügestruktur der Hartmetallsorte Abbildung 4-1: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der großen Zustellung Abbildung 4-2: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der geringen Zustellung Abbildung 4-3: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C150 und der großen Zustellung Abbildung 4-4: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C150 und der geringen Zustellung Abbildung 4-5: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der großen Zustellung Abbildung 4-6: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der geringen Zustellung Abbildung 4-7: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C150 und der großen Zustellung Abbildung 4-8: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C150 und der geringen Zustellung Abbildung 4-9: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der großen Zustellung Abbildung 4-10: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der geringen Zustellung Abbildung 4-11: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 BZN C100 und der großen Zustellung... 75

11 Verzeichnisse XI Abbildung 4-12: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 BZN C100 und der geringen Zustellung...75 Abbildung 4-13: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der großen Zustellung...77 Abbildung 4-14: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der geringen Zustellung...77 Abbildung 4-15: REM-Aufnahme von der Freifläche der geschliffenen Schneidelemente mit der Spezifikation D46 KB C150 und mit der großen und der geringen Zustellung...78 Abbildung 4-16: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der großen Zustellung...79 Abbildung 4-17: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der geringen Zustellung...79 Abbildung 4-18: REM-Aufnahme von der Freifläche der geschliffenen Schneidelemente mit der Spezifikation D46 BZN C150 und mit der großen und der geringen Zustellung...80 Abbildung 4-19: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der großen Zustellung...81 Abbildung 4-20: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der geringen Zustellung...81 Abbildung 4-21: REM-Aufnahme von der Freifläche der geschliffenen Schneidelemente mit der Spezifikation D91 BZN C100 und mit der großen und der geringen Zustellung...82 Abbildung 4-22: Spektrum der Werkstoffanalyse (EDX) an einem geschliffenen Schneidelement...84 Abbildung 4-23: Rissentstehung auf der Schneidelementoberfläche infolge des Setzens eines Mikrohärteeindruckes...91 Abbildung 5-1: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 KB C100 am Standzeitende...120

12 XII Einleitung Abbildung 5-2: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 KB C150 am Standzeitende Abbildung 5-3: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D91 KB C100 am Standzeitende Abbildung 5-4: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 BZN C100 am Standzeitende Abbildung 5-5: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 BZN C150 am Standzeitende Abbildung 5-6: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D91 BZN C100 am Standzeitende Abbildung 6-1: Schnittlast- bzw. Spannungsverteilung am Schneidelement Abbildung 6-2: Flächenpressung gewölbter Wirkflächen /39/ Abbildung 6-3: Geometrie der berührenden Körper /39/ Abbildung 6-4: Projektion der Druckfigur auf eine Ebene senkrecht zur z- Achse /39/ Abbildung 6-5: Form der entstandenen Druckfigur bei der Wirkung der Kraft F /39/ Abbildung 6-6: Simulation der Spannung im Werkstück Abbildung 6-7: Simulation der Spannung am Werkzeug Abbildung 6-8: Simulation Scherebene Abbildung 6-9: Scherebenedarstellung

13 Verzeichnisse XIII Diagramme Diagramm 4-1: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min...57 Diagramm 4-2: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min...57 Diagramm 4-3: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min...58 Diagramm 4-4: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min...58 Diagramm 4-5: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min...61 Diagramm 4-6: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min...61 Diagramm 4-7: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min...62 Diagramm 4-8: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min...62

14 XIV Einleitung Diagramm 4-9: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 4-10: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 4-11: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 4-12: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 4-13: Härtemessung in Abhängigkeit von... Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 4-14: Härtemessung in Abhängigkeit von... Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 4-15: Härtemessung in Abhängigkeit von Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 4-16: Härtemessung in Abhängigkeit von Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 4-17: Röntgenographische Eigenspannungen an den geschliffenen Schneidelementen Diagramm 5-1: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-2: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

15 Verzeichnisse XV Diagramm 5-3: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-4: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-5: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-6: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-7: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-8: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-9: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-10: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-11: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-12: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min

16 XVI Einleitung Diagramm 5-13: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-14: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-15: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-16: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-17: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-18: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-19: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-20: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Diagramm 5-21: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-22: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

17 Verzeichnisse XVII Diagramm 5-23: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Diagramm 5-24: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min...125

18 XVIII Einleitung Tabellenverzeichnis Tabelle 2-1: Mechanische und physikalische Eigenschaften von Wolframkarbid (WC) und Kobalt (Co) /9/, /26/, /33/, /47/ Tabelle 2-2: Nomenklatur der Hartmetalle in Bezug auf die WC-Korngröße /20/ Tabelle 2-3: Schleifscheibenspezifikationen zum Schleifen von Hartmetall /47/ 18 Tabelle 2-4: Mechanische und physikalische Eigenschaften von Diamant /43/, /47/, /54/ Tabelle 3-1: Schleifscheibenspezifikationen Tabelle 3-2: Messparameter zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung Tabelle 3-3: Chemische Zusammensetzung C45E Tabelle 3-4: Mechanische Eigenschaften C45E /34/, /57/ Tabelle 3-5: Mechanische Eigenschaften der verwendeten Hartmetallsorte... 52

19 Verzeichnisse XIX Inhaltsverzeichnis Verzeichnisse...V Formelzeichen und Symbole... V Abbildungen... IX Diagramme... XIII Tabellenverzeichnis...XVIII Inhaltsverzeichnis...XIX 1 Einleitung Grundlagen Spanbildung Zerspanen mit kleinen Spanquerschnitten Zusammenhänge beim Zerspanprozess Hartmetall Herstellung Aufbau und Eigenschaften Schleifbearbeitung vom Hartmetall Verschleiß Verscheiß an Hartmetall-Zerspanwerkzeugen Randzonenveränderung Eigenspannung und Messverfahren Randzonenbeeinflussung beim Schleifprozess Einfluss der Schleifbedingungen auf Eigenspannungen Versuchstechnik Schleifmaschine und Schleifwerkzeuge...43

20 XX Einleitung 3.2 Versuchsmaschine zur Zerspanversuche Messeinrichtungen Aufnahme der Prozesskräfte Verschleißmessung Rauheits- und Schartigkeitsmessung Mikrohärtemessung Werkstoffanalyse Gefügeanalyse Röntgenographische Eigenspannungsmessung Versuchswerkstoff Versuchswerkzeuge Versuchsdurchführung Versuchsreihe Schleifversuche Versuchsreihe Zerspanversuche Schleifen von Zerspanwerkzeugen Ergebnisse der Rauhigkeitsmessung Ergebnisse der kunstharzgebundenen Schleifscheiben Ergebnisse der bronzegebundenen Schleifscheiben Ergebnisse der Schartigkeitsmessung Ergebnisse der Werkstoffanalyse Ergebnisse der Härtemessung Ergebnisse der Gefügeanalyse Ergebnisse der röntgenographischen Eigenspannungsmessung Zusammenfassung Schleifen von Zerspanwerkzeugen Zerspanversuche Ergebnisse der Prozesskraft Ergebnisse Schnittkraft

21 Verzeichnisse XXI Ergebnisse Vorschubkraft Ergebnisse des Verschleißverhaltens Ergebnisse beim Schleifen mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben Ergebnisse beim Schleifen mit bronzegebundenen Schleifscheiben Zusammenfassung Zerspanversuche Simulation der Spanbildung Spannungsverteilung Simulation Zusammenfassung Simulation der Spanbildung Zusammenfassung Schrifttum

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23 Einleitung 1 1 Einleitung Das Schleifen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem die Spanabnahme durch ein vielschneidiges Werkzeug mit geometrisch unbestimmten Schneiden erfolgt. Das Schleifverfahren wird besonders bei komplizierten Arbeitsbedingungen angewandt, wenn andere Bearbeitungsverfahren, wie z. B. das Drehen und Fräsen, wegen der Härte des zu zerspanenden Werkstoffes versagen. Schleifen dient ebenso u. a. der Fertigung von Zerspanwerkzeugen, die sehr hohe Anforderungen an Form- und Maßgenauigkeiten sowie hohen Oberflächengüten genügen müssen, wie z. B. Bohrer, Gewindebohrer und Gewindeformer. Eine genaue und präzise Herstellung der Zerspanwerkzeuge ist unerlässlich, insbesondere bei Anwendungen, bei denen das Werkzeug im Mikrobereich eingesetzt und zugestellt wird. Um Zerspanwerkzeuge an den Zerspanprozess erfolgreich anpassen zu können, ist nicht nur eine detaillierte Untersuchung der komplexen Wechselwirkungen zwischen Zerspanprozess, Werkzeug und Werkstoff erforderlich, sondern muss auch der Einfluss bei der Herstellung des Werkzeugs mit berücksichtigt werden. Zu den wichtigsten Einflussgrößen in Bezug auf den Schleifprozess von Zerspanwerkzeugen zählen neben den eingesetzten Werkstoffen die Schleifscheibenspezifikationen und die Stellgrößen. Eine Variation der Kornart, des Bindungsmittels, der Korngröße und Kornkonzentration sowie Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit können die Bearbeitungskräfte, den Schleifscheibenverschleiß, die Oberflächenrauheit, die Schneidkantenqualität sowie die Randzoneneigenschaften der geschliffenen Werkzeuge erheblich beeinflussen. Die beim Schleifen stattfindenden mechanischen und thermischen Beanspruchungen sind für die erreichbare Qualität der Werkzeuge und die daraus resultierende Zerspanleistung von wesentlicher Bedeutung. Diese können sich negativ auf das spätere Einsatz- und Verschleißverhalten und somit auf die Leistungsfähigkeit des Werkzeugs auswirken.

24 2 Einleitung Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollen Hartmetall-Schneidelemente unter Einsatz von Diamantschleifscheiben mit unterschiedlichen Bindungsmitteln, Kornkonzentrationen und Korngrößen sowie unter Variation der Stellgrößen Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit geschliffen werden. Die Einflüsse der Schleifscheibenspezifikationen bzw. Schleifparameter beim Schleifprozess auf die Oberflächengüte, die Schneidkantengüte, die Härte, das Gefüge sowie auf den Eigenspannungszustand der geschliffenen Schneidelemente sollen dargestellt werden. Anschließend werden in Zerspanversuchen das Einsatz- und Verschleißverhalten der geschliffenen Schneidelemente untersucht. Weiterhin erfolgt eine Betrachtung der auftretenden Belastung bzw. wirkenden Spannung an den Schneiden der Schneidelemente sowie eine Simulation des Spanbildungsprozesses. Hierzu wird die Finite-Elemente-Methode als Hilfsmittel herangezogen.

25 Grundlagen 3 2 Grundlagen 2.1 Spanbildung Die Spanbildung ist näherungsweise als ein plastischer Vorgang anzusehen, der durch den in das Werkstück eindringenden Schneidkeil hervorgerufen wird. Während der Spanbildung erfolgt eine Umorientierung der Kristalle in Gleitrichtung. Ausgehend von der Annahme, dass ein Volumenelement im Werkstück in hinreichendem Abstand zur Schneide spannungsfrei ist, folgt, dass sich in diesen Spannungen bis zum Erreichen der Fließspannung aufbauen, in dem Maße, in dem es sich dem Werkzeug nähert. Das Material tritt in die Stauch- und Trennzone ein, wird in der Scherzone plastisch verformt und trägt zur Bildung des Spans bei, der über die Spanfläche abfließt /4/, /12/, /55/. Bei einer kontinuierlichen Spanbildung lässt sich der Prozess in fünf Verformungszonen unterscheiden (Abbildung 2-1). In der primären Scherzone findet die hauptsächliche plastische Verformung durch Scherung statt. Durch die wirkende Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück entstehen Schubspannungen, die plastische Verformungen in den Wirkzonen an der Span- und Freifläche verursachen. In der Stauzone wird der Werkstoff unter Einwirkung hoher Druckspannungen getrennt. Im Bereich der Verformungsvorlaufzone entstehen durch den Spanbildungsvorgang Spannungen, die elastische und plastische Verformungen im Werkstück hervorrufen. Diese Verformungen verursachen eine Randzonenbeeinflussung im Werkstück. Hohe mechanische und thermische Belastungen in diesen sekundären Scherzonen verursachen den Werkzeugverschleiß /55/, /57/.

26 4 Grundlagen Span Scherebene h v sp 2 Werkzeug h v c φ 5 1 γ r ß Schneidkeil Werkstück 3 4 α t v 1 : primäre Scherzone 2 : sekundäre Scherzone an der Spanfläche 3 : sekundäre Scherzone an der Stau-u. Trennzone 4 : sekundäre Scherzone an der Freifläche 5 : Verformungsvorlaufzone γ : Spanwinkel α : Freiwinkel φ : Scherwinkel t v : Verformungstiefe Abbildung 2-1: Spanbildungszonen /57/ Im Bereich der Scherspanentstehung kann es zur Bildung von Aufbauschneiden kommen (Abbildung 2-2). Dabei setzten sich Werkstoffpartikel auf der Spanfläche und der Schneidkante ab. Diese Partikel sind stark verformt, kaltverfestigt und härter als der Grundwerkstoff. Es bilden sich keilförmige Schneidenansätze, die die Funktion der Schneide übernehmen. Werkstück v c Aufbauschneide Span Schneidkeil Abbildung 2-2: Bildung von Aufbauschneiden /55/

27 Grundlagen 5 Während beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden sich Schneidanzahl, Form der Schneidteile und Lage der Schneiden zum Werkstück bestimmen und beschreiben lassen, werden die Schneiden beim Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden durch Hartstoffkörner gebildet, welche irregulär gestaltet und in einer Bindung fixiert sind. Dabei sind die Form der Schneidkeile und die resultierenden Spanwinkel, die an der einzelnen Schneide auftretende Spanungsdicke und am Einzelkorn auftretenden Prozessgrößen (Kraft, Temperatur) lediglich statistisch zu beschreiben. Ein Korn weist zudem mehrere aktive Schneiden auf. Für gewöhnlich sind die Magnituden der Schneiden erheblich geringer als beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden. Demgegenüber lassen sich die auf den Schneidkeil wirkenden aktiven Prozesskräfte beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden determinieren und bleiben im Verlauf des Bearbeitungsvorgangs für stabile Prozesse in kontinuierlichem Schnitt hinsichtlich Betrag und Richtung annährend konstant /36/, /55/.

28 6 Grundlagen Abbildung 2-3 zeigt die Wirkzonen der Spanbildung beim Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Grundsätzlich gleicht der Vorgang beim tangentialen Eintreten der einzelnen Schneiden dem Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden, trotz differenzierter Eingriffsverhältnisse (vgl. Abbildung 2-1). ca. 10 µm Schleifkorn v c Bindung Span : primäre Scherzone 2 : sekundäre Scherzone an der Spanfläche 3 : sekundäre Scherzone an der Stau-u. Trennzone 4 : sekundäre Scherzone an der Freifläche 5 : Verformungsvorlaufzone Abbildung 2-3: Spanbildungszonen beim geometrisch unbestimmten Schneiden /55/

29 Grundlagen Zerspanen mit kleinen Spanquerschnitten Unter der Hauptgruppe Trennen und der Gruppe Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden ist Spanen mit kleinen Spanquerschnitten einzuordnen. Abbildung 2-4: Fertigungsverfahren nach DIN 8580 /18/ Fertigungsverfahren im Bereich des Spanens mit geometrisch bestimmten Schneiden, welche im Bereich der Minimalspanung eingesetzt oder im Mikrobereich zugestellt werden, wie z. B. Hartdrehen, Reiben, Gewindebohren, Sägen, Fräsen und Schaben, werden dort angewandt, wo hohe Oberflächengüte und große Maß- und Formgenauigkeit erforderlich sind.

30 8 Grundlagen Abbildung 2-5 zeigt die Winkel am Schneidkeil, die zur Bestimmung von Lage und Form des Werkzeugs im Raum dienen. Der Schneidkeil besteht aus dem Freiwinkel α, dem Keilwinkel β und dem Spanwinkel γ. γ α β Abbildung 2-5: Winkel am Schneidkeil Der Freiwinkel α ist der Winkel zwischen Freifläche und Schneidenebene. Große Freiwinkel machen die Werkzeugschneidkante aggressiv, aber auch bruchgefährdet. Die Reibung der Freifläche im Werkstoff ist gering. Kleine Freiwinkel erhöhen die Festigkeit der Kante des Werkzeugs, erhöhen aber auch die Reibung der Freifläche im Material, wodurch höhere Vorschubkräfte entstehen. Der Keilwinkel β verweist Stabilität am Schneidelement. Bei Zerspanung von zähen und harten Materialien ist ein großer Keilwinkel erforderlich. Große Spanwinkel ergeben kleine Keilwinkel, wodurch das Schneidelement gegen Beanspruchung empfindlicher wird und eine Reduzierung der Stabilität sowie der Wärmeabfuhr verursacht. Bei kleinen Freiwinkeln und großen Spanwinkeln ist ein größerer Keilwinkel und damit eine höhere Werkzeugbelastbarkeit möglich. Der Spanwinkel γ hat einen großen Einfluss auf die Spanbildung, den Spanablauf und die Schnittkraft. Große Spanwinkel begünstigen das Eindringen des Werkzeugs in den Werkstoff, erfordern also geringere Vorschubkräfte, haben aber einen höheren Verschleiß des Werkzeugs zur Folge. Kleine oder negative Spanwinkel erschweren das Eindringen und erhöhen die Vorschubkräfte. Der Werkzeugverschleiß ist geringer. In der Regel werden große Spanwinkel bei weichen Werkstoffen und kleine Spanwinkel bei harten Werkstoffen angewendet.

31 Grundlagen 9 Folgende Abbildungen zeigen Beispiele einiger Zerspanwerkzeuge bzw. Zerspanverfahren mit kleinen Spanquerschnitten. χ 1 χ 2 Abbildung 2-6: Mehrstufiger Anschnitt beim Reibwerkzeug /42/ Nebenschneide Hauptschneide Abbildung 2-7: Trapezförmiger Sägezahn Reibahle a p Hauptschneide Verjüngung der Nebenschneide Werkstück Abbildung 2-8: Schnitttiefe a p beim Reiben /42/

32 10 Grundlagen Ein anderes Beispiel vom Verfahren im Bereich der Minimalspanung ist beim Fertigungsverfahren Gewindebohren zu finden. In Abbildung 2-9 ist die Form des Spanquerschnitts für ein metrisches ISO-Gewinde durch die Schnittaufteilung gegeben. ϑ ϑ h H/8 1.St. 3.Stollen 2.Stollen 1.St. 3.Stollen 2.Stollen 1.St. h d H ϑ H/4 P D 1 cosϑ = h / h' Abbildung 2-9: Aufteilung des Spanquerschnitts im Gewindegang auf die Schneiden eines 3stolligen Gewindebohrers /42/ Zusammenhänge beim Zerspanprozess Gemäß /16/ sind die Bewegungen bei einem Zerspanvorgang Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug und werden auf das ruhend angenommene Werkstück bezogen. Die direkt auf die Späne wirkenden Bewegungen eines Schneidelements sind die Schnittbewegung, die Vorschubbewegung und die Wirkbewegung. Die Richtungen dieser Bewegungen sind angesichts der Architektur des Werkzeugs bereits definiert. Die Geschwindigkeit in Schnittrichtung wird als Schnittgeschwindigkeit v c definiert, die in Vorschubrichtung als Vorschubgeschwindigkeit v f. Die Wirkgeschwindigkeit v e wird als die vektorielle Addition von v c und v f bezeichnet. Der Wirkrichtungswinkel η hängt von der momentanen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit ab.

33 Grundlagen 11 Laut /17/ ist die Zerspankraft F die bei einem Zerspanvorgang von einem Schneidkeil auf das Werkstück wirkende Gesamtkraft. Dabei werden diese Kraft und ihre Komponenten in einem Punkt der Schneide angreifend angenommen. Beim Zerspanprozess stehen Schnittrichtung und Vorschubrichtung vertikal zueinander und so können die jeweiligen Kraftkomponenten entsprechend denen beim Längsdrehen gekennzeichnet werden. Die Schnittkraft F C liegt in Richtung der Schnittbewegung, die Vorschubkraft F F wirkt senkrecht zur Schnittkraft F C (in Richtung der Vorschubbewegung) und die Passivkraft F P wirkt senkrecht zu den Bewegungsrichtungen. Gemeinsam bilden diese drei Kraftkomponenten ein Orthogonalsystem. v f F p F f F Abbildung 2-10: Komponenten der Zerspankraft /25/

34 12 Grundlagen 2.3 Hartmetall Herstellung Unter dem Begriff Hartmetall versteht man einen pulvermetallurgisch hergestellten Verbundwerkstoff aus Wolfram-, Titan-, Tantal-, Niob-, Vanadinund/oder Chromkarbiden als Hartstoffphase sowie Kobalt und/oder Nickel als Bindephase. In der Praxis werden im Wesentlichen Hartmetalle mit auf Wolframkarbid (WC) basierenden Hartstoffphasen und auf Kobalt (Co) basierenden Bindephasen eingesetzt /47/. Das für die Hartmetallerzeugung erforderte Wolframkarbidpulver wird von unterschiedlichen wolframhaltigen Erzen wie z. B. Wolframit ((Fe,Mn)WO4) und Scheelit (CaWO4), gewonnen. Dazu werden die Erze aufgeschlossen und in ihre oxidische Form überführt. Diese werden bei Temperaturen von 800 bis 1000 C unter Zugabe von Wasserstoff zu Wolframpulver reduziert. Während der anschließenden Karburierung wird das Wolframpulver mit reinem Ruß oder Graphit zu Wolframkarbidpulver. Die Herstellung von Kobaltpulver erfolgt durch Wasserstoffreduktion der entsprechenden metallischen Oxide. An die Pulver werden höchste Ansprüche hinsichtlich Reinheit und Feinkörnigkeit gestellt, da diese entscheidend für die Qualität der Sinterwerkstoffe sind. Die so gewonnenen Pulver für die Hartstoff- und Bindephase werden entsprechend der späteren Zusammensetzung des Hartmetalls zu einer Charge eingewogen und homogen gemischt. Während der anschließenden Nassmahlung der Pulvermischung erfolgt eine Zerkleinerung und Zertrümmerung aller Komponenten, um diese gleichmäßig und intensiv durchzumischen. Die entstehende Pulversuspension wird anschließend u. a. durch Sprühtrocknen getrocknet und granuliert. Durch verschiedene Formgebungsverfahren werden die granulierten Pulvergemische zu Preßlingen gepresst. Abschließend erfolgt das Sintern vom Preßling zu Hartmetall. Beim Sintervorgang erhält der Werkstoff die charakteristischen Festigkeitseigenschaften /33/, /47/.

35 Grundlagen Aufbau und Eigenschaften Die Eigenschaften und Einsatzgebiete der verschiedenen Hartmetalle werden erheblich von ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung beeinflusst. Der Gefügeaufbau von Hartmetallen ist durch den Verbund aus Hartstoffphase und metallischem Binder charakterisiert. Abbildung 2-11 zeigt den Gefügeaufbau eines WC-Co-Hartmetalls anhand einer mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) erstellten Aufnahme. Die Hartstoffphase erscheint im REM hell, die Bindephase dunkel. Abbildung 2-11: Gefügeaufbau eines WC-Co-Hartmetalls im Querschliff (rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) Als Hartstoffphase in Hartmetallen haben Wolframkarbide die größte Bedeutung. Wolframkarbid besitzt im Vergleich zu anderen Karbiden ausgeprägten metallischen Charakter eine hohe Härte bei gleichzeitig hoher Biegfestigkeit. Daneben lässt sich Wolframkarbid durch schmelzflüssige Metalle gut benetzten, begrenzt plastisch verformen und besitzt ferner eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie eine gute elektrische Leitfähigkeit. Sowohl wegen seiner ausgezeichneten Benetzungseigenschaften von Wolframkarbid als auch angesichts der hohen Adhäsionskräfte zwischen Kobalt und Wolframkarbid nimmt Kobalt bislang als Bindephase eine unübertroffene Stellung ein /47/.

36 14 Grundlagen Folgende Tabelle zeigt einige mechanische und physikalische Eigenschaften der Hartstoffphase Wolframkarbid (WC) und der Bindephase Kobalt (Co). Eigenschaften WC Co Dichte [g/cm³] 15,7 8,8 Mikrohärte HV HV 0,05 80 bis 250 E-Modul [N/mm²] Schmelzpunkt [ C] Wärmeausdehnungskoeffizient [k -1 ] Wärmeleitfähigkeit [J/cm.s.K] Spez. elektr. Widerstand [µωcm] 5, , ,21 0, ,24 Tabelle 2-1: Mechanische und physikalische Eigenschaften von Wolframkarbid (WC) und Kobalt (Co) /9/, /26/, /33/, /47/ Aufgrund, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient von Wolframkarbid deutlich niedriger als der von Kobalt ist, kann es beim Abkühlen auf Raumtemperatur nach dem Sintern der beiden Phasen in WC-Co-Hartmetallen zu inneren Spannungen kommen. Dies bewirkt, dass bei Raumtemperatur die Bindephase unter Zugspannungen und die Wolframkarbidphase unter Druckspannungen stehen. Die Höhe der Spannungen hängt dabei von der Zusammensetzung und der Korngröße der Hartmetalle ab. Verbunden mit einem höheren Kobaltgehalt steigt die Dicke der Kobaltschicht zwischen den einzelnen WC-Körnern. Die Zugspannungen im Kobalt nehmen ab. Die Druckspannungen in der Wolframkarbidphase steigen wiederum an /47/. Die Eigenschaften von Hartmetall werden zum einen durch die Eigenschaften der einzelnen Phasen, zum anderen durch deren Wechselwirkung miteinander, sowie die eingestellte Mikrostruktur geprägt. Diese ist

37 Grundlagen 15 durch die Bindeart, den Binderanteil bzw. Hartstoffphasenanteil und durch die Korngröße der Hartstoffphase definiert. Wolframkarbidkorngröße und deren Größenverteilung in Hartmetallen werden durch einige Faktoren beeinflusst. Dies wären die Ausgangsmaterialien, die Zusammensetzung und die Herstellungsbedingungen, wie Mahl- und Sinterbedingungen. Die mechanischen Eigenschaften der Hartmetalle werden in hohem Maße durch die mittlere Korngröße und die Korngrößenverteilung bestimmt. Mit kleiner werdender Korngröße erfolgt eine Erhöhung der Härte und Verschleißbeständigkeit. Tabelle 2-2 zeigt die vorläufige Nomenklatur der Hartmetalle in Bezug auf die WC-Korngröße. Nomenklatur WC-Korngröße [µm] Nano < 0,2 Ultrafein 0,2-0,5 Feinst 0,5-0,8 Fein 0,8-1,3 Mittel 1,3-2,5 Grob 2,5-6 Extragrob > 6,0 Tabelle 2-2: Nomenklatur der Hartmetalle in Bezug auf die WC- Korngröße /20/ Neben der Biegebruchfestigkeit ist die Bruchzähigkeit eine weitere wichtige Kenngröße zur Beurteilung des Zähigkeitsverhaltens von Hartmetallen. Mit abnehmender WC-Korngröße nimmt die Bruchzähigkeit im Gegensatz zur Biegebruchfestigkeit nicht zu. Vielmehr fällt sie mit sinkender Korngröße langsam ab. Der Einfluss der Korngrößenverteilung auf die Bruchzähigkeit zeigt sich bei gröberen Hartmetallen. Dichtere Korngrößenverteilungen bei Hartmetallen weisen deutlich höhere Bruchzähigkeiten als Hartmetalle mit einer breiteren Verteilung vor /30/, /45/.

38 16 Grundlagen Neben der WC-Korngröße hat der Bindergehalt einen wesentlichen Einfluss auf die Eigenschaften der Hartmetalle. Als Binderphase wird aufgrund seiner hervorragenden Haftungsmerkmale und Benetzung von Wolframkarbid überwiegend Kobalt verwendet. Mit steigendem Bindergehalt verringert sich die Sprödbruchempfindlichkeit, während die Biegefestigkeit zunimmt. Der abnehmende Kobaltanteil hat wiederum eine reduzierte Zähigkeit zur Folge, wenngleich dem Hartmetall aufgrund des hohen WC- Anteils eine höhere Verschleiß- und Abriebfestigkeit erteilt wird /3/, /48/, /64/. Abbildung 2-12: Abhängigkeit der Härte, der Biegebruchfestigkeit und der Druckfestigkeit von WC-Co-Hartmetallen vom Kobaltgehalt /46/ Schleifbearbeitung vom Hartmetall Das Schleifen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem die Spanabnahme durch ein vielschneidiges Werkzeug mit geometrisch unbestimmten Schneiden erfolgt /19/. Das Schleifverfahren wird besonders bei komplizierten Arbeitsbedingungen angewandt, wenn andere Bearbeitungsverfahren, wie z. B. das Drehen und Fräsen, wegen der Härte des zu zerspanenden Werkstoffes versagen /42/. Schleifen dient ebenso u. a. der Ferti-

39 Grundlagen 17 gung von Zerspanwerkzeugen, die sehr hohen Anforderungen an Formund Maßgenauigkeiten sowie hohe Oberflächen- und Schneidkantengüten genügen müssen, wie z. B. Bohrer, Gewindebohrer, Gewindeformer, Reibwerkzeugen und Fräsern. Zur Bearbeitung von Hartmetallen steht nur ein sehr geringes Spektrum von Fertigungsverfahren zur Verfügung. Die Bearbeitung von Hartmetall erfolgt normalerweise durch das Fertigungsverfahren Schleifen. Aufgrund der Verfahrensvielfalt und der beeinflussbaren System- und Stellgrößen lassen sich diverse Geometrien, Abtragraten und Oberflächenqualitäten erreichen. Eine sehr wichtige Bewertungsgröße zur Beurteilung von Schleifprozessen ist das Verschleißverhalten der eingesetzten Schleifwerkzeuge. Sowohl die Wirtschaftlichkeit eines Bearbeitungsvorganges als auch die Werkstückqualität werden durch den Werkzeugverschleiß erheblich beeinflusst. Die mit hochharten Diamantkörnern belegten Schleifscheiben haben große Bedeutung für den Schleifprozess. Während des Zerspanvorgangs entsteht beispielsweise Wärme, die Einfluss auf den Verschleiß der Schleifscheiben nimmt. Hinzu kommt das fortschreitende Abstumpfen der Schleifkörner während der Bearbeitung, wodurch mit der Zeit die Schneidfähigkeit der Schleifscheibe abnimmt und die Zerspankräfte ansteigen. Dies hat negative Auswirkungen auf die bearbeiteten Werkstücke /31/, /41/, /44/. Aufgrund dessen sollte das Schleifwerkzeug durch die Wahl verschiedener Bindungssysteme, Diamantkorngrößen, Kornkonzentrationen und Einstellparameter immer an die jeweilige Bearbeitungsaufgabe angepasst werden.

40 18 Grundlagen Folgende Tabelle gibt eine Übersicht von Schleifscheibenspezifikationen zum Schleifen von Hartmetall. Art Korn Größe Bindung Konzentration Diamant Metall Kunstharz Korund Keramik - Siliziumkarbid Keramik - Tabelle 2-3: Schleifscheibenspezifikationen zum Schleifen von Hartmetall /47/ Diamant ist aufgrund seiner Härte ein ideales Schleifmittel für sehr harte Materialien. Der größte Teil der heute in Schleifwerkzeugen verwendeten Diamanten werden synthetisch hergestellt. Ausgangsstoff ist Grafit, der unter Druck, Temperatur und Mitwirkung von Katalysatoren in das Kristallgitter des Diamanten umgewandelt wird. Aufgrund der gezielten Synthese ist es möglich, Diamanten mit bestimmten Schleifeigenschaften für die unterschiedlichsten Bindungssysteme und Schleifaufgaben herzustellen.

41 Grundlagen 19 In Tabelle 2-4 sind einige mechanische und physikalische Eigenschaften vom Schleifmittel Diamant zu entnehmen. Eigenschaften Diamant Dichte [g/cm³] 3,52 Härte HV E-Modul [MPa] 0,9-1,0 Biegefestigkeit [MPa] 2775 Druckfestigkeit [10 MPa] Wärmeausdehnungskoeffizient [10-6 /k] 0,9-1,2 Spez. elektr. Widerstand [µωcm] Wärmeleitfähigkeit [W/mK] 800 Schmelzpunkt [ C] 3700 Temperaturbeständigkeit [ C] 900 Tabelle 2-4: Mechanische und physikalische Eigenschaften von Diamant /43/, /47/, /55/ Im Allgemeinen sollen Schleifscheiben folgende Eigenschaften aufweisen: Hohe Bruchumfangsgeschwindigkeit, gute Dämpfungseigenschaften, hohe Festigkeit des Grundkörpers, hohe Verschleißfestigkeit des Belages und gute Wärmeleitfähigkeit. Durch den Schleifprozess werden die Schleifkörner in der Kontaktzone stark belastet. Einerseits mechanisch durch Stöße und Vibrationen, welche durch den Zerspanprozess, Rundlaufabweichungen und Maschinenvibrationen hervorgerufen werden. Andererseits entstehen hohe thermische Belastungen durch die Reibung in der Kontaktzone sowie Materialdeformationen.

42 20 Grundlagen Abbildung 2-13: Belastungen beim Schleifprozess /22/ Um die Schleifeigenschaften der hochwertigen Diamanten auszunützen und möglichst lange zu erhalten, müssen Störeinflüsse minimiert werden. Dies bedeutet, dass Stöße und Vibrationen möglichst stark gedämpft und die großen Wärmemengen gut abgeleitet werden müssen. Die Schleifscheiben bestehen im Wesentlichen aus drei Komponenten: dem Grundkörper, dem Schleifkorn und der Bindung. Der Grundkörper soll hohe mechanische Festigkeit, geringe Dehnung, hohe Wärmeleitfähigkeit und gutes Dämpfungsverhalten aufweisen. Grundlegend werden dafür Stahl, spezielle Aluminiumlegierungen, Kunstharzverbundwerkstoffe sowie Keramik verwendet. Für die Lebensdauer der Schleifscheiben und die Oberflächenqualität der geschliffenen Werkstücke ist beim Werkzeugschleifen das Dämpfungsverhalten des Grundkörpers von großer Bedeutung. Dabei muss die Dämpfung an die Schleifmaschinencharakteristik angepasst werden. Je geringer die Steifigkeit und Stabilität der Schleifmaschine ist, desto stärker muss die Dämpfung sein. Demgegenüber haben stark dämpfende Grundkörper geringere Widerstandfähigkeit.

43 Grundlagen 21 Eine weitere wesentliche Komponente stellt das Schleifkorn dar. In folgender Abbildung werden die wichtigsten Eigenschaften an einem Schleifkorn dargestellt. Abbildung 2-14: Gegenüberstellungen der wichtigsten Eigenschaften von Schleifkörnungen mit einem Idealkorn beim Schleifen von Metallen /21/

44 22 Grundlagen Der sogenannte Idealkorn ist wie folgt charakterisiert: Große Härte, gute Wärmeleitfähigkeit, gute thermische Beständigkeit, hohe bzw. angepasste Zähigkeit, hohe chemische Widerstandsfähigkeit und geringe spezifische Zerspanungsenergie. Zuletzt ist die Bindung als bedeutende Komponente der Schleifscheibe zu nennen. Eine Idealbindung soll folgende Merkmale aufweisen: Gute Formbeständigkeit, hohe Zähigkeit, gute Wärmleitfähigkeit, gute Dämpfung, gute Temperaturbeständigkeit und gute Profilierbarkeit. Abbildung 2-15: Eigenschaften der Idealbindung /21/

45 Grundlagen 23 Abbildung 2-16 zeigt ein Schema der Schleifzone einer Schleifscheibe. Der Arbeitsbereich der Schleifscheibe besteht aus Schleifkörner, Bindung und Poren. Die Schleifkörner leisten die Zerspanarbeit. Sie werden von der Bindung zusammengehalten. Die Poren dienen dem Transport von Spänen und Kühlmittel. Abbildung 2-16: Schema der Schleifzone einer Schleifscheibe /28/ Vergleicht man den Zerspanprozess mit kunststoffgebundenen und metallgebundenen Diamantschleifscheiben, so ergeben sich aufgrund der großen Unterschiede von Härte, Verschleißwiderstand und Wärmeleitfähigkeit bei metallgebundenen Schleifscheiben geringere Wärmeentwicklung und Temperaturen sowie wesentlich längere Standzeiten der Schleifscheiben (Abbildung 2-17).

46 24 Grundlagen Diamant Kunststoffbindung Diamant Metallische Bindung Abbildung 2-17: Schleifzerspanprozess nach /22/, /28/ Die beim Schleifprozess fließende Wärmemenge ins Werkstück Q w ist beim Einsatz von Schleifscheiben mit geringer Wärmeleitfähigkeit wesentlich höher. Eine hohe Wärmeentwicklung bzw. Temperatur im Werkstück kann thermische Gefügeveränderungen auslösen und die Entstehung von Eigenspannungen beeinflussen (siehe Kap. 2.5 Randzonenveränderung). Die Kombination der Wärmeleitfähigkeiten von Werkstück, Korn und Bindung ist eine der Einflussgrößen auf die Verteilung der Wärmeströme in der Schleifzone (Abbildung 2-18). Die Verteilung der abgeführten Wärme hängt neben den in dargestellten Wärmeleitfähigkeiten von der Kühlung und den Zerspanbedingungen ab.

47 Grundlagen 25 Abbildung 2-18: Verteilung der Wärmeströme in der Schleifzone /28/ Aus der Abbildung 2-18 wird ersichtlich, dass eine möglichst geringe Wärmebelastung von Werkstück und Schleifwerkzeug mit Diamant und Metallbindung aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit zu erreichen ist. Die wichtigsten Entstehungsbereiche der Wärme beim Schleifen sind die Kontaktzonen: Werkstück - Schleifkorn Schleifkorn - Späne Späne - Bindung Bindung - Werkstück sowie die Zonen der elastischen und plastischen Deformationen im Werkstück und in den Spänen. Für das Schleifen mit geringen Schneidkräften, geringer Werkstückbeeinflussung und hohem Abtrag haben sich Kunstharzbindungen bewährt. Im Vergleich zeichnet sich dieser Bindungstyp durch geringe Prozesskräfte, gutes Verschleißverhalten der Schleifscheibe und hohe erzielbare Oberflächen- und Schneidkantengüten am Werkstück aus. Setzt man kunstharzgebundene Scheiben ein, sind hohe Prozesstemperaturen nachteilig zu bewerten. Zurückzuführen sind die hohen Temperaturen im Wesentlichen auf die verminderte Wärmeleitfähigkeit der Scheibe. Metallische Bin-

48 26 Grundlagen dungen sind hingegen für einen geringen Werkzeugverschleiß gut geeignet. Sie bieten einen guten Wärmetransport aus dem aktiven Schleifbelag, ihre Form ist sehr stabil und sie weisen eine große Haftung zu den Schleifkörnern auf. Zugleich ist die Bindungshärte für den Schleifprozess sehr bedeutungsvoll. Bei weichen Bindungen entweichen Körner früh, sodass diese Schleifscheibe im Gegensatz zu einer Schleifscheibe mit härterer Bindung schärfer bleibt und dadurch höhere Oberflächengüten entstehen /31/, /44/, /52/, /55/. Korngröße und Kornkonzentration üben ebenfalls einen starken Einfluss auf den Schleifscheibenverschleiß und die Oberflächengüte des Werkstückes aus. Werden gröbere Körnungen eingesetzt, ergeben sich höhere Zeitspanvolumen. Feinere Körnungen und eine hohe Kornkonzentration erhöhen die Anzahl aktiver Schneiden, wodurch eine bessere Oberflächen- und Schneidkantenqualität entsteht. Ein Vorteil dabei ist, dass der Werkzeugverschleiß geringer ausfällt, jedoch die Bearbeitungskräfte sowie das Zusetzen der Schleifscheiben ansteigen /1/, /44/, /55/. Grundsätzlich gilt, dass hohe Schnittgeschwindigkeiten beim Schleifen reduzierte Prozesskräfte entstehen lassen, darüber hinaus eine bessere Oberflächengüte und eine Abnahme des Werkzeugverschleißes bewirken. Dies führt jedoch zu einer hohen Temperaturbelastung und letztendlich zur thermischen Schädigung des Werkstückes. Hoher Vorschub hingegen verursacht, dass der Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung von Hartmetall höher ist und sich zudem die Oberflächen verschlechtern /10/, /24/, /31/. Die Wirtschaftlichkeit des Schleifprozesses wird von vielen Parametern u. a. durch die Zusammensetzung der im Schleifprozess eingesetzten Kühlschmierstoffe und der Art ihrer Zuführung beeinflusst. Die Kühlschmierstoffe beeinflussen nicht nur die erzielbaren Zerspanleistungen und das Verschleißverhalten, sondern auch die Qualität des Schleifprozesses, speziell die Oberflächen- und Schneidkantengüten sowie die Randzonenbeeinflussung der Werkstoffe. Stark an Bedeutung gewinnen momentan die Umweltanforderungen, wie beispielsweise die Reduzierung

49 Grundlagen 27 der Belastung des Bedienpersonals, Erhöhung der Kühlschmierstoffstandzeiten und Entsorgungsaspekte. Bezüglich des Schleifens von Hartmetall-Schneidelementen muss vor allem die Werkzeugschneide beste Qualität aufweisen. Hinzu kommen die hohen Anforderungen Maß- und Formgenauigkeit. Das Schneidelement muss eine stabile, verschleißfeste und präzise Schneidekante aufweisen. Durch den Schleifprozess entstehende Ausbrüche an der Schneidkante und Schartigkeiten sind unerwünscht. Für die Charakterisierung der Ausbrüche an der Schneidkante gibt folgende Gleichung einen Zusammenhang mittels maximaler Schartentiefe R s,max an /24/: 1 Rs, max h cu (1) sin ß Die Ausbildung der Schartentiefe an der Schneidkante hängt direkt von der mittleren Spanungsdicke h cu (siehe Kap ) am einzelnen Schneidkorn und dem Keilwinkel β der geschliffenen Schneide ab. Je größer die Spanungsdicke beim Schleifprozess, bei gleich bleibender Geometrie (konstanter Keilwinkel) ist, desto größer werden die Beschädigungen an den Schneidkanten. Zudem sollte die Oberfläche der kompletten Schneidelemente, mit Spanund Freifläche sowie Nebenschneiden nach dem Schleifprozess, bestmöglich sein, d. h. möglichst geringe Rauhigkeiten aufweisen. Weiter dürfen sich auf der Oberfläche keine Mikrorisse bilden und die Gefügestruktur des Hartmetalls keine Veränderung aufweisen. Folglich können die durch das Schleifen entstehenden Oberflächen- und Randzoneneigenschaften einen direkten Einfluss auf die Funktion und Leistungsfähigkeit von Werkzeugen haben.

50 28 Grundlagen 2.4 Verschleiß Nach /15/ versteht man unter Verschleiß den fortschreitenden Materialverlust an der Oberfläche eines festen Körpers, hervorgerufen durch mechanische Ursachen, d. h. durch Kontakt und Relativbewegung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Gegenkörpers. Der Verschleiß resultiert im Gegensatz zur Festigkeit aus dem Zusammenwirken aller beteiligten Komponenten des tribologischen Systems, sodass der Verschleiß nur mit systemspezifischen Kenngrößen zu beschreiben ist. Die physikalischen und chemischen Elementarprozesse, welche im Kontaktbereich des tribologischen Systems vorkommen, werden als Verschleißmechanismen definiert. Grundsätzlich sind vier grundlegende Verschleißmechanismen - Oberflächenzerrüttung (Ermüdung), Abrasion, Adhäsion und Tribochemische Reaktion - zu unterscheiden /11/, /15/. F N F R z.b. Risse z.b. Riefen z.b. Fresser z.b. Partikel Oberflächen- Abrasion Adhäsion Tribochemische zerrüttung Reaktionen Abbildung 2-19: Verschleißmechanismen /11/ Bei der Oberflächenzerrüttung kommt es in den beanspruchten Gebieten des Werkstoffs zu einer Ermüdung. Normal- und Tangentialbeanspruchungen entstehen durch die tribologische Wechselbeanspruchung. Die Normal- und Tangentialbeanspruchungen überlagern sich und es entstehen Spannungsmaxima. Diese wiederum können in und unterhalb der Kon-

51 Grundlagen 29 taktgrenzflächen liegen. Somit kann es zum ständigen Wechsel von mehrachsigen Zug- und Druckspannungen infolge zyklischer Beanspruchung kommen. Der Werkstoff wird infolge einer Rissbildung zerstört /11/, /59/. Abrasion erfolgt wenn die Werkstoff/Schneidstoff-Paarung in tribologischen Systemen unterschiedlich hart und rau ist oder harte Partikel in einem tribologisch beanspruchten Werkstoff eingedrückt werden. Bei einer Relativbewegung zwischen Werk- und Schneidstoff kann durch verschiedene Materialabtrennprozesse abrasiver Verschleiß an dem weicheren Teil der Werkstoff/Schneidstoff-Paarung entstehen /11/, /59/. Adhäsion wird durch stoffliche Wechselwirkungen auf atomarer und molekularer Ebene ausgelöst. Durch hohe lokale Pressungen an einzelnen Oberflächenrauheitshügeln werden schützende Oberflächendeckschichten durchbrochen und es entstehen lokale Grenzflächenbindungen, welche als Kaltverschweißungen bezeichnet werden. Diese können eine höhere Festigkeit als die eigentlichen Werkstoff/Schneidstoff-Paarung aufweisen. Mittels einer Relativbewegung zwischen Werk- und Schneidstoff kann eine Trennung oder Verschiebung der kontaktierenden Materialbereiche in das angrenzende Volumen eines der Werkstoff/Schneidstoff-Paarung erfolgen /11/, /35/, /40/, /59/. Durch tribologische Beanspruchungen können bei einer Relativbewegung zwischen Werk- und Schneidstoff aufgrund chemischer Reaktionen mit dem Umgebungsmedium oder dem Zwischenstoff Reaktionsschichten der Kontaktkörper entstehen. Diese können Temperaturerhöhungen und Veränderungen der Festigkeitseigenschaften zur Folge haben. Grundsätzlich entstehen dabei Gitterfehler. Durch tribochemische Reaktionen ändern sich vor allem die Eigenschaften der äußeren Grenzschichten /11/, /40/, /59/. Aufgrund der Komplexität des Verschleißprozesses ist eine quantitative Abgrenzung einzelner Verschleißmechanismen hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf den Gesamtverschleiß nur schwer möglich. Die Auswirkungen und Anteile einzelner Verschleißmechanismen können erst beurteilt wer-

52 30 Grundlagen den, wenn Werk- und Schneidstoff sowie Zwischenstoff und Umgebungsmedium unter bestimmten Bedingungen aufeinander treffen. Relevant sind ferner die einzelnen Verschleißarten, welche ihre Wirkung an der Schneidkante und an den Werkzeugflächen ausüben. Nicht selten treten bei der spanenden Bearbeitung bedingt durch die Werkstoff/Schneidstoff-Paarung sowohl Furchungs- als auch Gleitverschleiß auf. Werden zudem noch inhomogene Werkstoffe zerspant, finden Stoßund Prallverschleißvorgängen statt. Vorwiegend kommen die Verschleißarten in Kombination vor, jedoch besteht die Möglichkeit, dass sie auch separat für sich wirken Verscheiß an Hartmetall-Zerspanwerkzeugen Bei Hartmetall-Zerspanwerkzeugen kann man grundsätzlich zwischen Verschleißarten und Verschleißformen unterscheiden. Die Verschleißarten beruhen auf den in der Tribologie definierten Verschleißmechanismen. Unter Verschleißformen versteht man definierbare und messbare geometrische Grundformen des verschleißenden Schneidstoffes im Bereich der Span- und Freifläche sowie an der Schneide des Werkzeugs. Adhäsionsverschleiß entsteht vor allem bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten. Hier werden Bestandteile des bearbeiteten Werkstoffes auf das Werkzeug übertragen und dort festgeschweißt; es bilden sich Aufbauschneiden. Werden diese im Laufe der Bearbeitung durch den ablaufenden Span wieder abgetrennt, kommt es zu Mikroausbröckelungen an der Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Werkstück und somit zu einer Erhöhung der Rauhigkeit. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten ist bedingt durch die höheren Temperaturen die Festigkeit des aufgeschweißten Werkstoffes geringer und der ablaufende Span kann diesen leichter abscheren, ohne das Werkzeug anzugreifen. Besonders bei der Zerspanung harter Werkstoffe tritt abrasiver Verschleiß auf. Bedingt durch die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück bzw. ablaufendem Span, werden Schneidstoffpartikel abgetragen. Durch höhere

53 Grundlagen 31 Temperaturen wird der Schneidstoff weicher und dieser Verschleißmechanismus kommt stärker zum Tragen. Bei HSS-Werkzeugen ist Diffusionsverschleiß nicht von Bedeutung, da deren Warmfestigkeit deutlich unterhalb der Temperaturen liegt, bei denen Diffusion als Verschleißmechanismus wirksam wird. Bei Hartmetall- Werkzeugen werden jedoch verschiedene Diffusionsvorgänge wirksam: Diffusion von Kobalt als Bindemittel aus der Schneidenoberfläche heraus führt dazu, dass die Karbide als Hartstoffphase keinen ausreichenden Zusammenhalt mehr aufweisen; Diffusion von Kohlenstoff und Eisen vom bearbeiteten Werkstoff in das Hartmetall bewirkt die Auf- und Herauslösung der Karbide. Das Zusammenwirken dieser Verschleißvorgänge hat unterschiedliche Verschleißformen zur Folge (Abbildung 2-20). Abbildung 2-20: Verschleißformen am Schneidelement Beim Freiflächenverschleiß (A) entsteht eine Abnutzung im Bereich der Kante zwischen Haupt- und Nebenschneide. Seine Größe ist in Form der Verschleißmarkenbreite VB messbar. Gleichzeitig wird die Schneidkante

54 32 Grundlagen durch die Materialabnutzung verschoben und das Werkzeug wird um den Schneidkantenversatz SV kürzer (Abbildung 2-21). Folgend sinken Maßhaltigkeit und Oberflächengüte des bearbeiteten Werkstückes. Ein großer Freiflächenverschleiß kann durch die Änderung der Schneidengeometrie einen Anstieg der Vorschubkräfte verursachen. Der Freiflächenverschleiß wird primär von der Schnittgeschwindigkeit bzw. vom Freiwinkel des Werkzeugs beeinflusst. VB SV γ VB: Verschleißmarkenbreite SV: Schneidkantenversatz β α Abbildung 2-21: Freiflächenversatz und Schneidkantenversatz Der Kolkverschleiß (B) zeigt sich in einer muldenförmigen Aushöhlung der Spanfläche, wodurch sich der Spanwinkel ändert und ein geändertes Spanablaufverhalten die Folge ist. Außerdem wird die Stabilität der Schneide heruntergesetzt, was im Extremfall zum Ausbrechen der Schneidkante führen kann. Verschleißformen sind außerdem Ausbröckelungen (C), welche durch zu hohe lokale Schnittkräfte entstehen können. Treten Frei- und Spanflächenverschleiß (der sich ähnlich wie der Freiflächenverschleiß zeigt) zusammen auf, kommt es zur Kantenabrundung (D). Kammrisse (E) entstehen bei häufig auftretenden Temperaturwechseln, welche ebenso zu Ausbröckelungen an den Schneiden der Werkzeuge führen können. Weitere Verschleißformen sind plastische Deformationen der Schneide aufgrund hoher mechanischer Beanspruchungen.

55 Grundlagen Randzonenveränderung Ein enorm wichtiger Punkt im Schleifprozess ist, dass das Schleifen nicht nur über Maß- und Formgenauigkeiten eines Bauteils entscheidet, sondern durch die thermischen und mechanischen Belastungen während der Bearbeitung auch Einfluss auf die Eigenschaften der Werkstückrandzone nimmt. Diese Randzoneneigenschaften wirken sich auf die nachfolgenden Fertigungsschritte, aber auch auf die spätere Funktion der Bauteile aus. Einige charakteristische Verläufe von Randzoneneigenschaften sind in Abbildung 2-22 dargestellt. Bearbeitungsrichtung bearbeitete Oberfläche σ HV σ II Textur Härte Risse Eigenspannungen Gefüge Abbildung 2-22: Charakteristische Verläufe verschiedener Randzoneneigenschaften /8/ Eigenspannungen im Oberflächenbereich der Werkstücke gelten als Signale für thermische und mechanische Randzonenbeeinflussungen. Eigenspannungen entstehen bei allen spanenden Fertigungsverfahren, sie können sich zudem auf das spätere Einsatzverhalten auswirken und die Güte nachfolgender Fertigungsschritte beeinträchtigen. Des Weiteren kann auch das Gefüge von Hartmetallen durch die spanende Bearbeitung beeinflusst werden. Eine Randzonenschädigung ist dabei z. B. die so genannte Blauverfärbung, die durch eine thermische Überbelastung entsteht und als dunkle Verfärbung an der Oberfläche sichtbar ist. Ursache dafür sind extreme Bedingungen, wie sehr hohe Temperaturen,

56 34 Grundlagen in der Kontaktzone. Es kommt zur Bildung intermetallischer Phasen, die zu einer Versprödung und Zerrüttung des Werkstoffgefüges führen. Wird darüber hinaus mit einem Kühlschmierstoff gekühlt, besteht die Möglichkeit, dass thermoschockbedingte Mikrorisse an der Oberfläche entstehen. Die Mikrorisse sind auf ein im Einsatz mögliches Werkzeugversagen äußerst kritisch zu betrachten. Ist einmal ein Mikroriss im Bauteil, kann sich dieser unter Belastung weiter ausbreiten und die Festigkeit ist nicht mehr gewährleistet /47/. Die in der Werkstückrandzone liegenden Härteänderungen, welche in direkter Beziehung mit dem Gefüge stehen, geben Auskünfte über externe Einflüsse auf den Werkstoff. Mögliche Gefügeveränderungen können durch eine Untersuchung der Härteverläufe an der Randzone nachgewiesen werden /7/. Die Entstehungen von Texturen können zu einer Richtungsabhängigkeit der Randzoneneigenschaften führen /27/. Ein wichtiges Qualitätsmerkmal der Werkzeuge ist die Schneidengüte, deren Kenngröße die Schartigkeit ist. Die Schneidengüte ist bei sprödharten Schneidstoffen überwiegend unabhängig von den Flächenrautiefen. Vielmehr ist die Schneidkante durch kleinste Ausbrüche geprägt. Ursache dieser Ausbrüche kann unter anderem das Herausreißen ganzer Körner oder Korngruppen sein. Ebenfalls hat die Gefügestruktur des zu bearbeitenden Schneidstoffs Einfluss auf die Schartigkeit der Schneidkante. Mit steigender Bindephase sinkt die Schartigkeit, bei größerem Korndurchmesser der Hartstoffpartikel nimmt die Schartigkeit hingegen zu /32/, /44/ Eigenspannung und Messverfahren Eigenspannungen sind mechanische Spannungen, die im Bauteil vorhanden sind, ohne dass äußere Kräfte und Momente an diesem Bauteil angreifen. Die Eigenspannungen befinden sich daher im betrachteten System hinsichtlich der verursachenden Kräfte und Momente im mechanischen Gleichgewicht /38/.

57 Grundlagen 35 Zu der oben genannten Definition, die den kontinuumsmechanischen Charakter der Eigenspannungen beschreibt, werden Eigenspannungen weiterhin nach verschiedenen Kriterien eingeteilt. Entstehungsursachen wie thermische Eigenspannungen und Umwandlungseigenspannungen sowie technologische Gesichtspunkte wie Füge-, Schleif- und Beschichtungseigenspannungen werden zu dieser Einteilung herangezogen. Eine weitere Möglichkeit zur Einteilung der Eigenspannungen ist jene nach deren Wirkungsbereichen. Diese ist insbesondere für die röntgenografische Eigenspannungsanalyse zweckmäßig und wird in drei verschiedene Reichweiten unterschieden /38/: Eigenspannungen I. Art sind über größere Werkstoffbereiche (mehrere Körner) nahezu homogen. Die inneren Kräfte sind bezüglich jeder Schnittfläche durch den ganzen Körper im Gleichgewicht und mit Eigenspannungen I. Art verbunden. Hingegen verschwinden die inneren Momente in Bezug auf eine beliebige Achse. Aus makroskopischen Maß- und Formänderungen des Körpers resultieren Abweichungen vom Kräfte- und Momentengleichgewicht. Eigenspannungen II. Art sind über kleine Werkstoffbereiche (ein Korn oder Kornbereiche) annähernd homogen. Die inneren Kräfte und Momente sind über hinreichend viele Körner im Gleichgewicht und stellen eine Verbindung zu den Eigenspannungen II. Art dar. Gibt es Abweichungen von diesem Gleichgewicht kann dies zu makroskopischen Maßänderungen führen. Eigenspannungen III. Art sind über kleinste Werkstoffbereiche (einige Atomabstände) inhomogen. Die mit den Eigenspannungen III. Art verbundenen inneren Kräfte und Momente befinden sich bezüglich kleiner Bereiche (Teile eines Korns) im Gleichgewicht. Wird in dieses Gleichgewicht eingegriffen treten keine makroskopischen Maßänderungen auf. Als Eigenspannungen I. Art werden Makroeigenspannungen bezeichnet, die Eigenspannungen II. und III. Art zusammenfassend als Mikroeigenspannungen. Makroeigenspannungen können während der Herstellung z. B. durch den Temperaturgradienten im Werkstoff und die damit verbun-

58 36 Grundlagen dene Abkühlung entstehen. Eigenspannungen II. Art werden charakteristischerweise in mehrphasigen Werkstoffen durch verschiedene physikalische Aspekte wie z. B. den thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Phasen herbeigeführt. Durch die Bildung von Subkornstrukturen und Versetzungswechselwirkungen können Eigenspannungen III. Art entstehen. Die wichtigste Methode zur Bestimmung von Eigenspannungen ist die röntgenografische Eigenspannungsanalyse. Sie beruht auf der absoluten Ermittlung von Gitterdehnungsverteilungen, denen mit Hilfe des allgemeinen Hooke schen Gesetzes Spannungen zugeordnet werden. Zur Bestimmung der Gitterdehnungen wird die Beugung monochromatischer Röntgenstrahlen an den Gitterebenen oberflächennaher Bereiche eines polykristallinen Werkstoffes unter Nutzung der Bragg schen Reflexionsbedingung gemessen /7/. Abbildung 2-23: Strahlengang bei der röntgenografischen Messung von Gitterdehnungen nach /7/. Links Röntgenbeugung am unverspannten Einkristallgitter, rechts Röntgenbeugung am verspannten Einkristallgitter

59 Grundlagen 37 Trifft ein Röntgenstrahl auf ein Atom im Metallgitter des Messobjektes, wird er in alle Richtungen gestreut. Es gilt dann die Bragg sche Gleichung: n λ = 2 D sin Θ (2) D = Netzebenenabstand Θ = Braggwinkel λ = Wellenlänge n = 1, 2, 3,... Diese besagt, dass sich bei einem bestimmten Einstrahlwinkel Θ und einem Netzabstand D die gebeugte (reflektierte) Strahlung mit der Wellenlänge λ aus verschiedenen Netzebenen überlagert und verstärkt (Interferenz). In anderen Richtungen werden die Röntgenstrahlen geschwächt oder ausgelöscht. Nach Ableiten und Umstellen der Bragg schen Gleichung erhält man: dd D 0 1 = cot( Θ0 ) d(2θ) 2 (3) Das bedeutet, dass sich eine Änderung von Gitterdehnungen in der Änderung des doppelten Braggwinkels (2Θ) auswirkt. Vergleicht man die unverspannten und verspannten Gitter (Abbildung 2-23), wird die Änderung des doppelten Braggwinkels 2Θ deutlich. Der Einstrahlwinkel hat sich verschoben und der Winkel 2Θ führt zu größeren Werten. Ist der Netzebenenabstand des unverspannten Kristallgitters D 0 bekannt, der gemessene Netzebenenabstand D eine Funktion der Dehnung und die Wellenlänge λ = konstant, so können die Eigenspannungen berechnet werden.

60 38 Grundlagen Randzonenbeeinflussung beim Schleifprozess Die große Zahl an Schneideneingriffen kennzeichnet im Wesentlichen die Vorgänge in der Kontaktzone beim Schleifprozess. Dabei setzt sich der gesamte Materialabtrag aus der Summe der einzelnen Trennvorgänge zusammen. Auch wenn die Eingriffstiefe eines einzelnen Korns oftmals nur wenige Mikrometer beträgt, erfolgen die Schneideneingriffe mit hoher Geschwindigkeit. In der Werkstückrandzone kann es durch das Zusammenwirken mit den beim Schleifen vorliegenden negativen Spanwinkeln und gleichzeitig ablaufenden Reib-, Verformungs- und Schervorgängen zu Bereichen konzentrierter Energieumsetzung kommen. Für eine Erläuterung der mechanischen und thermischen Beanspruchung des Werkstoffs ist der Spanbildungsmechanismus am Einzelkorn eingehender zu betrachten (Abbildung 2-24). Theor. Bahnkurve η Aufwurf T u Schneide Span h cu Werkstück Verformungszone : elastische Verformung / Reibung Korn/Werkstoff 2 : elastische und plastische Verformung / Reibung Korn/Werkstoff, innere Werkstoffreibung 3 : elastische und plastische Verformung und Spanabnahme Reibung Korn/Werkstoff, innere Werkstoffreibung Abbildung 2-24: Schematischer Ablauf des Schneideneingriffs beim Schleifen nach /36/

61 Grundlagen 39 Der Schneideneingriff ist grundlegend in drei Bereiche zu unterteilen (Abbildung 2-24): In der so genannten Deformationszone (Bereich I), hat das Schleifkorn erstmals Kontakt mit dem Werkstück. Anfangs bildet sich kein Span, da der Wirkrichtungswinkel η sehr klein ist und das Material in dieser Zone lediglich elastisch verformt wird. Dabei tritt durch die Reibung eine erste Wärmeentwicklung ein. Im Bereich II kommt es zum plastischen Fließen. Die Schneide ist so tief in das Werkstück eingedrungen, dass das plastische Fließen, durch Normal- und Schubspannungen hervorgerufen, einsetzt. Durch Reibkräfte zwischen Schneide und Werkstück sowie Verdrängung des Materials durch die eingreifende Schneide entstehen Spannungen. Aufgrund des plastischen Fließens bilden sich möglicherweise Aufwürfe, bei denen zudem der Werkstückstoff unter der Schneide hindurch zu deren Freifläche fließen kann. Begünstigungen finden die im Bereich II stattfindenden Fließvorgänge durch die Reib- und Verformungsvorgänge. Dabei sinkt die Festigkeit des Materials, da die Werkstoffschichten die das Korn umgeben hohe Temperaturen annehmen. Im Bereich III dringt die Schneide so weit ins Werkstück ein, dass die mittlere Spanungsdicke h cu der Schnitteinsatztiefe T µ entspricht. Die eigentliche Spanbildung setzt ein. Zusätzlich finden neben den Reib- und Verformungsvorgängen auch Schervorgänge statt, die im Spanbildungsbereich an der Spanfläche eine zusätzliche Wärmeentwicklung hervorrufen /7/. Die Schleifbearbeitung von Hartmetallwerkstoffen induziert i. d. R. aufgrund der mechanischen Einwirkungen hohe Druckeigenspannungen in der Randzone des geschliffenen Werkstücks. Dies kann auf starke plastische Verformungen des Randschichtbereiches während der Schleifbearbeitung zurückgeführt werden. Thermische Einwirkungen werden während des Schleifens durch Reibung verursacht und führen zu Zugeigenspannungen bzw. reduzieren die Druckereigenspannungen in der Werkstückrandzone. Die Oberfläche erwärmt sich und will sich ausdehnen, was durch den kalten Werkstückkern behindert wird. So entstehen Druckeigenspannungen in der Oberfläche. Nach Beendigung der Erwärmung durch das Schleifen kühlt die Oberflächenschicht wieder ab und will schrumpfen. Da sie jedoch zu klein geworden ist, wird sie vom Kern unter

62 40 Grundlagen Zugspannung elastisch gedehnt. So bleiben Zugeigenspannungen in der Oberfläche, die sich mit den Druckeigenspannungen im Kern im Gleichgewicht befinden. Thermische Belastungen beim Schleifen von Hartmetall können zu einer Schädigung der Bindephase und einer Versprödung des Werkstoffs im Randzonenbereich führen /7/, /27/, /53/, /60/, /61/ Einfluss der Schleifbedingungen auf Eigenspannungen Die mechanische und thermische Belastung beim Schleifen ist von verschiedenen Eingangsgrößen abhängig. Dies sind das Schleifverfahren bzw. die kinematischen Eingriffsverhältnisse, Stellgrößen, Werkstoffeigenschaften des Werkstückes, die Schleifscheibespezifikation, die Schleifscheibentopografie und die Kühlschmierbedingungen. All diese Stellgrößen haben ihre eigenen Einflüsse auf die Prozessgrößen und somit auf die Entstehung von Eigenspannungen beim Schleifen /6/. Mit der Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen von Hartmetall entstehen hohe Druckeigenspannungen in der Werkstückrandzone. Daher dominieren die mechanischen gegenüber den thermischen Einflüssen beim Schleifprozess. Geringe Vorschubgeschwindigkeit führt zu großen Temperaturen in der Kontaktzone, so dass der thermische Einfluss größer ist als der mechanische, was eine Verschiebung der Eigenspannung in Zug-Richtung verursacht /13/. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit beim Schleifen von Hartmetall mit einer Diamantschleifscheibe reduzieren sich die Druckeigenspannungen direkt in der Randschicht. Der höhere eingebrachte Zugeigenspannungsanteil im Werkstück kann zu einem höheren Verschleiß beim Einsatz des Werkstückes führen. Durch eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit wird mehr Leistung im Schleifprozess induziert, dies hat eine Steigerung der Temperaturen in der Kontaktzone als Folge. Die höheren Temperaturen können außerdem die Härte des geschliffenen Werkstoffs verringern. Generell lässt sich eine Reduzierung der Härte auf eine Reduzierung der Druckeigenspannung zurückführen /50/, /62/.

63 Grundlagen 41 Eine Vergrößerung der Zustellung führt zu einer Steigerung der Schleifleistung, die eine höhere thermische Belastung der Randschicht und dadurch eine Verschiebung der Eigenspannungen in Richtung Zugeigenspannungen bewirkt. Der Schleifscheibentyp kann neben den Schleifparametern auch das Temperaturniveau während des Schleifens erheblich beeinflussen. Eventuelle Unterschiede sind u. a. auf die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Bindung zurückzuführen. Der Zustand der Schleifscheibenoberfläche kann die Schnittfreudigkeit bzw. die Wärmeentstehung in der Kontaktzone beim Schleifprozess stark beeinflussen /63/. Der Eigenspannungszustand der Werkstückrandzone hängt ferner von der Körnung der verwendeten Schleifscheibe ab. Der Betrag der Druckeigenspannungen liegt beim Einsatz grober Diamantschleifscheiben höher als bei der Verwendung feiner Schleifscheiben /54/. Je feiner die Hartmetallkörnung ist, desto höhere, röntgenografisch erfasste Druckeigenspannungen beim Schleifprozess mit einer Diamantschleifscheibe entstehen /65/. Der Eigenspannungszustand kann von den Schleifscheibenspezifikationen und den Stellgrößen erheblich beeinflusst werden. Dies lässt sich durch die mittlere Spanungsdicke h cu am einzelnen Schneidkorn erklären. Folgende Gleichung gibt annähernd diesen Zusammenhang /24/ an: h cu v fa 3 d G (4) v C c Anhand der Gleichung wird die Spanungsdicke wesentlich mehr von der Diamantkorngröße d G, weniger von der Kornkonzentration C und den Stellgrößen axialer Vorschubgeschwindigkeit v fa und Schnittgeschwindigkeit v c beeinflusst. Grobe Diamantkörnungen aber auch geringere Kornkonzentrationen haben einen größeren mechanischen Einfluss auf die Randzone infolge größerer Spanungsdicken, sodass dies zu höheren Druckeigenspannungen führt.

64 42 Grundlagen Die Verwendung eines für den Schleifprozess geeigneten Kühlschmiermittels mit angepasstem Zuführdruck bzw. Durchflussmenge reduziert die Schleiftemperatur, was die Entstehung von Druckeigenspannungen begünstigt. Der Einsatz von Öl als Kühlschmiermittel verursacht eine Reduzierung der Schleifkräfte und dadurch eine niedrige Temperatur /51/. Der Eigenspannungszustand eines Werkstücks kann die Haftfestigkeit der Beschichtung unter einer nachfolgenden Belastung des Werkzeugs beim Zerspanprozess erheblich beeinflussen. Durch die Schleifbearbeitung können in die Randzone Druckeigenspannungen eingebracht werden. In einer nachfolgend aufgebrachten Beschichtung wie z. B. durch PVD- Technik sind ebenfalls große Eigenspannungen vorhanden. Die Folge ist ein Abbau der Druckeigenspannungen in der Oberfläche des Werkstücks, wodurch geringere Druckeigenspannungen als im unbeschichteten Zustand resultierten. Durch die Belastung im Zerspanprozess erfolgt auf gleicher Weise eine weitere Entlastung des Werkstücks. Waren nun die Druckeigenspannungen in der geschliffen Werkstückoberfläche eher niedrig, so kann es zu Zugspannungen im Werkstück kommen, was zum Versagen des Werkstücks führen kann, wenn die Zugspannungen die Streckgrenze des Werkstückstoffs überschreiten /54/. Die Entstehung von Schleifrissen ist auf die Eigenspannungszustände in den Werkstückrandzonen zurückzuführen. Druckeigenspannungen verringern eine vorhandene Kerbwirkung und wirken sich in der Regel günstig auf die Lebensdauer aus, Zugeigenspannungen können z. B. zu Rissen durch Spannungskorrosion und zu vorzeitiger Werkstückermüdung durch beschleunigtes Risswachstum führen /29/. Bei allen spanenden Fertigungsverfahren erfolgt im Randzonenbereich von Werkstücken die Erzeugung von Eigenspannungszuständen, die sich auf das spätere Einsatzverhalten auswirken können. Allgemein gilt, dass Druckeigenspannungen sich hinsichtlich auf das Verhalten des Werkstücks beim Einsatz positiv auswirken, Zugeigenspannungen werden dagegen negativ bewertet /7/.

65 Versuchstechnik 43 3 Versuchstechnik 3.1 Schleifmaschine und Schleifwerkzeuge Zum Schleifen der Schneidelemente wurde eine CNC- Werkzeugschleifmaschine vom Typ Schütte WU 400-CNC-5C 42 (Abbildung 3-1) eingesetzt. Der Schleifspindelantrieb weist eine Höchstdrehzahl von U/min und eine Leistung von 3 kw auf. Der Vorschubgeschwindigkeitsbereicht des Achsantriebs x und y beträgt 0, mm/min und des Achseantriebs z 0, mm/min. Abbildung 3-1: CNC-Werkzeugschleifmaschine Durch den Einsatz einer Doppelspindel mit max. sechs Werkzeugen wird eine Komplettbearbeitung in einer Aufspannung einzelner Werkzeuge ermöglicht. Fünf gleichzeitig ansteuerbaren Achsen ermöglichen die Herstellung von Span- und Freifläche sowie von den Nebenschneiden der Schneidelemente. Für die Fertigung der Schneidelemente werden Segmente auf einen speziell konzipierten, um 360 stufenlos regelbaren Werkstückträger gespannt. Für die Schleifuntersuchungen kamen kunstharz- und bronzegebundene Diamantschleifscheiben der Firma Dr. Wilh. Müller DIAMANTMETALL in

66 44 Versuchstechnik Form von Topfscheiben zum Einsatz. Zur Erzeugung der Spanfläche der Schneidgeometrie betrug der Außendurchmesser der Schleifscheibe d S1 = 125 mm bei einer Belagbreite b S1 = 2 mm. Zur Erzeugung der Freifläche und Nebenscheiden wurden die Schleifscheiben mit d S2 = 100 mm bei gleicher Belagbreite b S2 = 2 mm eingesetzt. Zur Verfügung standen Schleifscheiben mit unterschiedlicher Korngröße, Kornkonzentration und Bindung. Eine Spezifikationsaufstellung der eingesetzten Schleifscheiben können Tabelle 3-1 entnommen werden. Bindung Korngröße Kornkonzentration Belagbreite Form Kunstharz KB D46 C100 2 mm 11V9 Kunstharz KB D46 C150 2 mm 11V9 Kunstharz KB D91 C100 2 mm 11V9 Bronze BZN D46 C100 2 mm 11V9 Bronze BZN D46 C150 2 mm 11V9 Bronze BZN D91 C100 2 mm 11V9 Tabelle 3-1: Schleifscheibenspezifikationen 3.2 Versuchsmaschine zur Zerspanversuche Die Zerspanversuche wurden an einer CNC-Drehmaschine vom Typ Voest Alpine-Steinel WNC 700S (Abbildung 3-2) durchgeführt. Die Drehmaschine weist eine Antriebsleistung von 60 kw, ein Drehmoment von 575 Nm, einen Drehzahlbereich von U/min sowie Vorschübe von mm/min auf.

67 Versuchstechnik 45 Abbildung 3-2: Versuchsmaschine Die eingesetzte CNC-Drehmaschine wurde ausgewählt wegen ihrer Leistungsfähigkeit, Steifigkeit und Genauigkeit (< 1 µm). Gleichzeitig gewährleistet sie einen ausreichenden Arbeitsraum für eine große Werkstoffwelle (siehe Kap. 3.4), an welcher die Versuche durchgeführt wurden. Dies ist absolut notwendig um Werkzeugzustellungen im µm-bereich sicher zu gewährleisten. 3.3 Messeinrichtungen Aufnahme der Prozesskräfte Zur Aufnahme der Prozesskräfte bei den Zerspanversuchen wurde eine piezo-elektrische Kraftmessplattform eingesetzt. Das Quarzkristall- Vierkomponenten-Dynamometer vom Typ Kistler 9255B wandelte die mechanischen Belastungen (F X, F Y, F Z ) in elektrische Ladungen um und leitete sie zum Messverstärker, dessen Ausgangssignale als kraftproportionale Spannung in einer 12 bit A/D-Wandlerkarte im PC digitalisiert wurden. Mit Hilfe der Mess-Software DIAdem erfolgte die Auswertung und Speicherung der Messwerte.

68 46 Versuchstechnik Verschleißmessung Die optische Untersuchung der geschliffenen Schneidelemente auf Verschleißerscheinungen bei den Zerspanversuchen erfolgte an einem Stereomikroskop vom Typ Olympus SHZ 10. Die Dokumentation und Vermessung der gefertigten Schneidelemente ist ein wesentlicher Kontrollbestandteil des Schleif- bzw. Zerspanprozesses. Die Schneidelemente wurden sowohl im Neuzustand gleich nach dem Schleifprozess als auch in verschlissenem Zustand begutachtet Rauheits- und Schartigkeitsmessung An allen geschliffenen Schneidelementen wurde die Rauheit bzw. Kantenschartigkeit gemessen. Die Messungen erfolgten entsprechend DIN EN ISO 1302 /14/ mit einem elektronischen Tastschnittgerät vom Typ Perthometer S8P der Firma Mahr. Zur Bestimmung der Rauheit kam ein Taster mit einem Tastspitzenradius von 5 µm und einem Spitzenwinkel von 90 zum Einsatz. Zur Charakterisierung der Schartigkeit an der Schneidkante wurde eine Tastklinge, in Form einer handelsüblichen Rasierklinge, als Taster verwendet und im Tasterarm gespannt. Als Kenngrößen für die Oberflächenbeschaffenheit der geschliffenen Schneidelemente wurden der arithmetische Mittenrauwert R a, die gemittelte Rautiefe R z und die maximale Rautiefe R max nach DIN EN ISO 1302 ermittelt. Die Messungen der Kantenschartigkeit erfolgten in Anlehnung an die DIN EN ISO 1302 für Rauheitsmessgrößen. Als Kenngröße für die Kantenschartigkeit wurde die gemittelte Schartentiefe R s,z definiert. Die Einstellung der Grenzwellenlänge λ c bzw. der Taststreckenlänge l t resultierte aus den Rauheitsstufen von R z in /14/. Die Grenzwellenlänge λ c betrug 0,08 mm. Um statistisch abgesicherte Werte bezüglich der Oberflächenrauhigkeit und der Kantenschartigkeit der geschliffenen Werkzeuge zu erhalten, stellen die angegebenen R a, R z, R max und R s,z -Werte das arithmetische Mittel aus 5 Einzelmessungen je geschliffenem Schneidelement dar. Alle geschliffenen und anschließend beim Zerspanversuche ein-

69 Versuchstechnik 47 gesetzten Schneidelemente wurden auf der Frei- bzw. auf der Spanfläche quer zur Schleifrichtung gemessen Mikrohärtemessung Die Mikrohärtemessung der geschliffenen Schneidelemente erfolgte an einem Mikrohärteprüfer der Firma Time Technologies. Dazu wurden die geschliffenen Schneidelemente mit dem Drahterosionsverfahren knapp unterhalb des eigentlichen Schneidelements abgetrennt und genau in der Mitte gespalten. Dadurch konnten die halbierten Schneidelemente für die Mikrohärtemessung sowie für eine spätere Gefügeanalyse sehr einfach, flach liegend, präpariert und eingebettet werden. Die Härtemessung erfolgte mit einer Kraft von 9,807 N (HV1) nahe an der Spitze des Schneidelements, entlang der Frei- und Spanfläche sowie in der Mitte (Grundgefüge) des Schneidelements. Die Härte wurde vollautomatisch mit Hilfe eines mit Schrittmotoren ausgestatteten Kreuztisches gemessen. Die Härtewerte wurden aus dem Mittelwert von insgesamt vier gespaltenen Teilen zweier kompletter Schneidelemente ermittelt. Die Auswertung wurde mit einer Software zur automatischen Härteeindruckvermessung und die Visualisierung der Härteverläufe mittels der Anwendungssoftware Microsoft Excel durchgeführt Werkstoffanalyse Zur quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung und zur optischen Begutachtung der Oberflächen bzw. Schneidkantengüte der geschliffenen Schneidelemente fanden unter einem Rasterelektronenmikroskop vom Typ CamScan MV2300 energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) und rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahmen statt.

70 48 Versuchstechnik Gefügeanalyse Zusätzlich zu den Härteuntersuchungen wurden Gefügebilder der geschliffenen Schneidelemente aufgenommen, um den Einfluss der verschiedenen Bearbeitungsparameter beim Schleifprozess auf das Gefüge des Werkstücks der Schneidelemente zu dokumentieren. Die Gefügebetrachtung verlief unter einem Auflichtmikroskop Leitz Ergolux mit einer maximal tausendfachen Vergrößerung. Die Gefügebilder wurden mit einer CCD Kamera aufgenommen. Parallel wurden diese Gefüge unter einem Auflichtmikroskop mit einer maximal tausendfachen Vergrößerung analysiert Röntgenographische Eigenspannungsmessung Die röntgenographische Eigenspannungsmessung (siehe Kap ) fand unter einem stationären Röntgendiffraktometer vom Typ F4 der Firma Siemens statt. Die Steuerung des Diffraktometers und die Auswertung der Daten erfolgte durch einen mit entsprechender Steuer- und Messsoftware ausgestatteten PC. Zur Klärung der Messmöglichkeiten an den vorliegenden Messoberflächen der Hartmetall-Schneidelemente wurden zunächst mit verschiedenen Strahlungen im Winkelbereich von 40 bis 168 Beugungsdiagramme zur Phasenbestimmung gemessen. Für die Eigenspannungsmessungen wurde die Cr kα Strahlung bei der kristallographischen Ebene {111} herangezogen, da diese Interferenzlinie ohne Überlagerung anderer steht und den größten Beugungswinkel aufweist.

71 Versuchstechnik 49 In Tabelle 3-2 sind weitere Messparameter aufgelistet. Kristallorientierung 0, ±21, ±30, ±38, ±45, ±52, ±60 Beugungswinkelbereich Stützstellenschrittweite 0,1 Primärstrahlblende Detektorblende Linienlagebestimmung Eigenspannungsberechnung Beugungswinkel des unverspannten Gitters röntg. Elastizitätskonstante Durchmesser 1 mm 1 Schlitzblende Schwerelinienmethode sin²y-verfahren 2Θ 0 = 124,55 ½S2 = 2,17*10-6 mm²/n Tabelle 3-2: Messparameter zur röntgenografischen Eigenspannungsmessung 3.4 Versuchswerkstoff Als Werkstoff für die Zerspanversuche wurde der Vergütungsstahl C45E in Form einer Welle mit einem Außendurchmesser von 280 mm und einer Länge von 560 mm genutzt. Vergütungsstähle sind beruhigte Maschinenbaustähle, die sich wegen ihrer chemischen Zusammensetzung zum Härten eignen. Durch Vergüten, d. h. Härten mit nachfolgendem Anlassen, können eine hohe Zugfestigkeit und Kerbschlagzähigkeit sowie genaue Oberflächenbeschaffenheiten erreicht werden. Vergütungsstähle werden meistens im Maschinen- und Fahrzeugbau, aber auch bei dynamisch hoch belasteten Bauteilen wie Wellen, Achsen und Zahnrädern eingesetzt /2/, /23/.

72 50 Versuchstechnik In der folgenden Tabelle ist ein Überblick der chemischen Zusammensetzung des Werkstoffes C45E angegeben. Element C Si Mn P S Cr Cu Gew. Anteil % 0,498 0,236 0,596 0,011 0,020 0,172 0,146 Tabelle 3-3: Chemische Zusammensetzung C45E Tabelle 3-4 zeigt die wichtigsten mechanischen Eigenschaften von C45E. Kenngröße Wert Streckgrenze R e [N/mm²] 490 Zugfestigkeit R m [N/mm²] Dichte [g/dm³] 7,87 Bruchdehnung A [%] 14 Härte HV Spezifische Schnittkraft k c1.1 [N/mm²] 1573 Kerbschlagbarkeit A V [J] 25 Einschnürung Z [%] 35 Querkontraktionszahl 0,29 Tabelle 3-4: Mechanische Eigenschaften C45E /34/, /58/

73 Versuchstechnik 51 Abbildung 3-3 zeigt den strukturellen Aufbau des Werkstoffes C45E in hundertfacher Vergrößerung, in welcher das zweiphasige feritischperlitische Gefüge des Stahlwerkstoffes erkennbar ist. Abbildung 3-3: Gefügeaufnahme C45E 3.5 Versuchswerkzeuge Im Rahmen der Untersuchungen wurden Hartmetall-Schneidelemente in Form eines Formdrehwerkzeugs als Trapezzähne geschliffen. Alle hergestellten Schneidelemente wiesen die gleiche Geometrie mit einer Schnittbreite von 2,5 mm, eine Stegbreite von 0,69 mm, Freiwinkel α von 15 und Spanwinkel γ von 5 auf. Als Werkstoff von den Schneidelementen stand eine Hartmetallsorte K20/40 zur Verfügung. Bei dieser verwendeten Hartmetallsorte handelt es sich um ein Feinkornhartmetall auf Mischkarbidbasis WC-Co mit ca. 10 % Kobalt.

74 52 Versuchstechnik Die mechanischen Eigenschaften der Hartmetallsorte sind Tabelle 3-5 zu entnehmen. Kenngröße Wert Dichte [g/cm³] 14,45 Härte HV Druckfestigkeit [MPa] > 6000 Biegebruchfestigkeit [MPa] 3700 Bruchzähigkeit [MPa*m 1/2 ] 9,4 Elastizitätsmodul [GPa] 580 Tabelle 3-5: Mechanische Eigenschaften der verwendeten Hartmetallsorte Abbildung 3-4 zeigt die Gefügestruktur der verwendeten Hartmetallsorte in tausendfacher Vergrößerung. 10 µm Abbildung 3-4: Gefügestruktur der Hartmetallsorte

75 Versuchstechnik Versuchsdurchführung Versuchsreihe Schleifversuche Zur Herstellung der Schneidelemente auf der CNC-Werkzeugschleifmaschine (siehe Kap. 3.1) wurde ein spezieller CNC-Code benötigt, der nicht den Standardprogrammen zur Herstellung von Zerspanwerkzeugen entspricht. Mit Hilfe eines entwickelten parametergesteuerten Programms konnten die erforderlichen CNC-Codes erzeugt werden. Um weitgehend unabhängig von den Vorgaben der Maschinensteuerungen zu bleiben, wurde die CNC-Code-Generierung vom eigentlichen Bearbeitungsprozess entkoppelt und VBA (Visual Basic for Applications) als Programmiersprachen für die Programmgenerierung außerhalb der Bearbeitungsmaschine genutzt. Außer der in Kapitel 3.1 dargestellten Schleifscheiben mit entsprechenden Spezifikationen erfolgte die Herstellung der Schneidelemente aus der Kombination von verschiedenen Schleifparametern wie Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Die Spanfläche wurde mit einer einzelnen Zustellung a esf1 = 0,4 mm oder mit fünf einzelnen Zustellungen a esf2 = 0,08 mm geschliffen, die Freifläche und Nebenschneiden mit einer einzelnen Zustellung a eff1 = 0,3 mm bzw. mit fünf einzelnen Zustellungen a eff2 = 0,06 mm. Eine einzelne Zustellung meint, dass die Schleifscheibe den Werkstoff des Schneidelements mit einer Zustellung abgenommen hat. Fünf einzelnen Zustellungen bedeuten, dass der gleiche Anteil des Werkstoffes des Schneidelements in fünf Einzelschritten abgetragen wird. Als Schnittgeschwindigkeit wurden v c1 = 30 m/s und v c2 = 20 m/s festgelegt, als Vorschubgeschwindigkeit v f1 = 60 mm/min und v f2 = 120 mm/min. Die Schneidelemente wurden analog dem Außenlängs-Einstechschleifverfahren hergestellt. Zum Schleifen der Schneidelemente erfolgte die Bearbeitung in der Reihenfolge Spanfläche Freifläche Nebenflächen. Das Schleifen verlief so, dass die vom Schleifprozess an der Frei- und Spanfläche entstehenden Schleifriefen parallel zur Schneidkante lagen.

76 54 Versuchstechnik Im Rahmen der Untersuchungen wurden alle verwendeten Schleifscheiben mit einem Schärfstein vor jedem Schleifversuch geschärft, um jeweils gleiche Ausgangsbedingungen zu gewährleisten. Durch das Schärfen gewinnen die Scheiben wieder ihre Schneidenraumstruktur und werden damit wieder schneidfähig. Der Zustand der eingesetzten Schleifscheiben wurde sowohl vor als auch nach dem Schleifprozess mittels Stereomikroskop (siehe Kap ) kontrolliert. In der Kontaktzone zwischen Schleifscheibe und Werkstück werden beim Schleifen große Energiemengen umgesetzt. Diese Energie fließt in Form von Wärme hauptsächlich in das Werkstück (Schneidelement) sowie in die Schleifscheibe und kann thermische Schädigungen der Randzone und erhöhten Schleifscheibenverschleiß verursachen. Um diese Gefahr zu minimieren, wird beim Schleifen Kühlschmierstoff eingesetzt. Als Kühlschmierstoff wird Schleiföl dem Prozess zugeführt. Nach der Durchführung der Schleifversuche werden einzelne Schneidelemente vom Segment mittels Drahterosion separiert und anschließend präpariert, um Rauheits-, Schartigkeits-, Härte-, Gefüge- sowie Eigenspannungsuntersuchungen durchführen zu können Versuchsreihe Zerspanversuche Die Zerspanversuche wurden auf einem Versuchsstand, nach dem Außen- Einstechgewindedrehen auf genuteten Stahlwellen mit separierten Schneidelementen basiert, durchgeführt. In einem speziellen Werkzeughalter werden einzelne Schneidelemente, die zuvor in Segmenten geschliffen wurden, justiert, fixiert und in einer Drehmaschine (siehe Kap. 3.2) ähnlich dem Gewindedrehen eingesetzt. Durch konstante Vorschubgeschwindigkeit wird ein schraubenförmiger Drehvorgang simuliert. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die im Einsatz erreichbare Standzeit als Kriterium für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der geschliffenen Schneidelemente bestimmt. Als Standzeitende wurde eine Schnittzeit t c von 22 min auf den Versuchswerkstoff (siehe Kap. 3.4), als Bearbei-

77 Versuchstechnik 55 tungsparameter eine Schnittgeschwindigkeit v c von 157 m/min und eine Zustellung f Z von 0,030 mm, festgelegt. Als Schmiermittel fand ein Produkt auf Basis hochraffinierter Mineralöle Verwendung. Jeder Versuch wurde je zweimal wiederholt, um gesicherte Versuchergebnisse zu erhalten. Das heißt, um den Einfluss der verschiedenen Bearbeitungsparameter beim Schleifprozess auf die Prozesskräfte und das Verschleißverhalten der geschliffenen Schneidelemente zu ermitteln, wurden drei Schneidelemente pro Schleifparameterkombination getestet. Die Zerspankräfte wurden mit der im Kap beschriebenen Einrichtung in definierten zeitlichen Abständen aufgenommen. Zur Bestimmung des Verschleißverhaltens der geschliffenen Schneidelemente während des Zerspanprozesses wurde die Kenngröße Freiflächenverschleiß herangezogen. Der entstandene Freiflächenverschleiß wurde ebenfalls nach definierten zeitlichen Abständen unter dem Stereomikroskop dokumentiert und die maximale Verschleißmarkenbreite VB max ausgemessen. Die Darstellung der Kräfte- und Verschleißwerte resultiert aus dem Mittelwert der Messungen der drei einzelnen Zerspanversuche.

78 56 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 4 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Eine wichtige Größe bei der Herstellung von Zerspanwerkzeugen durch den Schleifprozess ist die Auswahl der Schleifparameter sowie der Schleifscheibenspezifikation. Beide Parameter können die Bearbeitungskräfte, den Scheibenverschleiß, die Oberflächenrauheit, die Schneidkantenqualität sowie die Randzoneneigenschaften der geschliffenen Schneiden erheblich beeinflussen. Wesentliche Faktoren bei der Auswahl von Scheibenspezifikationen sind die Kornart, Korngröße, Kornkonzentration, das Bindungssystem und der Abricht- bzw. Verschleißzustand. In diesem Kapitel werden die Einflüsse der Schleifparameter bzw. Schleifscheibenspezifikation beim Schleifprozess auf die Oberflächengüte, die Schneidkantengüte, die Härte, das Gefüge sowie auf den Eigenspannungszustand näher erläutert. 4.1 Ergebnisse der Rauhigkeitsmessung Im Folgenden soll für das Schleifen der Schneidelementen der Einfluss verschiedener Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen auf die erzeugte Freifläche untersucht werden. Die Schleifrichtung beim Bearbeiten der Freifläche liegt dabei parallel zur Schneide, wobei die Spanfläche bereits fertiggeschliffen vorliegt. Somit ist das Freiflächenschleifen entscheidend für die spätere Schneidkantengüte Ergebnisse der kunstharzgebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 4-1 bis Diagramm 4-4 sind die Oberflächenrauheiten R a, R z, und R max auf der Freifläche der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von den Zustellungen a eff1 = 0,3 mm und a eff2 = 0,06 mm sowie von den Diamantkorngrößen

79 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 57 D46 und D91 und der Kornkonzentrationen C100 und C150 bei den Stellgrößen Schnittgeschwindigkeit v c1 = 30 m/s und v c2 = 20 m/s und Vorschubgeschwindigkeit v f1 = 60 mm/min und v f2 = 120 mm/min dargestellt. Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 KB C100 a eff2 a eff1 D46 KB C150 a eff2 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Diagramm 4-1: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 KB C100 a eff2 a eff1 D46 KB C150 a eff2 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Diagramm 4-2: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

80 58 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 KB C100 a eff2 a eff1 D46 KB C150 a eff2 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Diagramm 4-3: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 KB C100 a eff2 a eff1 D46 KB C150 a eff2 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Diagramm 4-4: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharzbindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min

81 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 59 Aus den vorgestellten Diagrammen ist festzustellen, dass mit Zunahme der Korngröße von D46 auf D91 die Oberflächenrauheitswerte der geschliffenen Schneidelemente mit den kunstharzgebundenen Schleifscheiben unabhängig von den Schleifscheibenspezifikationen und den Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit steigen. Gröbere Körnungen führen zu schlechteren Oberflächengüten aufgrund wachsender Spanungsdicke. Mit dem Anstieg des Zustellbetrages von 0,06 mm auf 0,3 mm verschlechtern sich die Rauheitswerte beim Schleifen mit der Korngröße D46 und D91, unabhängig von der Kornkonzentration sowie der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Bei der Verwendung von hohen Diamantkonzentrationen sind tendenziell bessere Oberflächen zu erreichen. Mit steigender Kornkonzentration nimmt die Anzahl von Zerspanvorgängen pro Fläche zu, die Eindringtiefe des einzelnen Schneidkorns hingegen nimmt ab. Die Folgen sind niedrigere Rauheitswerte. Diagramm 4-1 bis Diagramm 4-4 zeigen, dass der Einfluss der Variation der Kornkonzentration von C100 auf C150 beim Schleifen mit der Diamantkorngröße von D46 in Form einer geringen Verbesserung der Oberflächengüte bemerkbar ist. Dies zeigt, dass mit dem Einsatz der Kornkonzentration C100 beim Schleifen der Hartmetall- Schneidelemente bei gleich bleibender Korngröße ein Optimum erreicht wurde, sodass eine Erhöhung der Kornkonzentration wirkungslos bleibt. Mit der Steigerung der Schnittgeschwindigkeit von 20 m/s auf 30 m/s bei gleichen Schleifscheibenspezifikationen und gleicher Vorschubgeschwindigkeit ist eine leichte Verbesserung der Oberflächengüte zu erkennen. Die Eingriffszeit und der Spanungsquerschnitt der einzelnen Diamantkörner werden durch die steigende Schnittgeschwindigkeit verringert. Gleichzeitig kommen pro Zeiteinheit mehr Diamantkörner in den Eingriff, d. h. steigende Schnittgeschwindigkeiten führen zu einer Erhöhung der aktiv am Zerspanprozess beteiligten Schneiden, so dass die Oberfläche durch eine höhere Anzahl von Diamantkörnern geschliffen wird. Somit sind die Rauheitswerte niedriger.

82 60 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Die Änderung der Vorschubgeschwindigkeit von 60 mm/min auf 120 mm/min hat kaum Einfluss auf die entstehende Oberflächengüte beim Schleifen der Schneidelemente. Eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit führt zu einer Erhöhung des Zeitspanvolumens und verkürzt bei gleichem Zerpanvolumen die Bearbeitungszeit. Mit Zunahme der Zustellung und Kornkonzentration sowie der Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit können die thermischen Beanspruchungen des geschliffenen Werkzeugs ansteigen. Daraus resultieren Randzonenbeschädigungen, wodurch sich evtl. der Werkzeugverschleiß bzw. Werkzeugkräfte beim Einsatz erhöhen. Eine hohe Oberflächengüte führt beim Einsatz der geschliffenen Werkzeuge zu einer geringen Reibung zwischen Werkzeug und Werkstückstoff. Daraus resultiert auch eine kleinere mechanische Beanspruchung des Werkzeugs während dessen Einsatzes Ergebnisse der bronzegebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 4-5 bis Diagramm 4-8 sind die Oberflächenrauheiten R a, R z, und R max auf der Freifläche der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von den Zustellungen a eff1 = 0,3 mm und a eff2 = 0,06 mm sowie von den Diamantkorngrößen D46 und D91 und den Kornkonzentrationen C100 und C150 bei den beiden Stellgrößen Schnittgeschwindigkeit v c1 = 30 m/s und v c2 = 20 m/s und Vorschubgeschwindigkeit v f1 = 60 mm/min und v f2 = 120 mm/min zu sehen.

83 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 61 Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-5: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Diagramm 4-6: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

84 62 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Diagramm 4-7: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Rauheit R a, R z, R max [µm] 2,50 2,25 2,00 1,75 1,50 1,25 1,00 0,75 0,50 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Ra Rz Rmax 0,25 0,00 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Diagramm 4-8: Rauheitswerte R a, R z, R max in Abhängigkeit von der Zustellung für die Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min

85 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 63 Die Diagramme zeigen deutlich, dass sich mit dem Einsatz der bronzegebundenen Schleifscheiben die Rauheitswerte der geschliffenen Schneidelemente im Vergleich mit denen der kunstharzgebundenen Schleifscheiben erheblich verschlechtern, von 0,5 1,0 µm auf 1,2 2,0 µm, unabhängig von den weiteren Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen. Die Ursache liegt in der Härte und in der Wärmeleitung der metallischen Bindung, die einen wesentlich größeren Anteil der erzeugten Wärme beim Schleifprozess in die Schleifscheibe abführt. Hierdurch liegen die Kontaktzonentemperaturen niedriger und die Diamantkörner werden, mit der Folge einer geringeren Schneidenabstumpfung, im Bindungsverband länger gehalten. Daraus resultieren höhere Rauheitswerte. Eine ähnliche Tendenz wurde in /5/ beim Schleifen von Hartmetall mit kunstharzgebundenen und metallisch gebundenen Schleifscheiben ermittelt. Die Diagramme lassen ebenso erkennen, dass beim Einsatz Schleifscheiben gröberer Körnungen rauere Oberflächen erzeugt werden, unabhängig von den verwendeten Schleifspezifikationen und Stellgrößen. Dies zeigt eine ähnliche Tendenz bei Verwendung bronzegebundener Schleifscheiben im Vergleich zu kunstharzgebundener Schleifscheiben, mit der Ausnahme, dass die Rauheitswerte bei der Zustellung von 0,3 mm und der Verwendung einer bronzegebundenen Diamantschleifscheibe der Korngröße D46 und Kornkonzentrationen C100 und C150 etwas größer sind als die bei der Zustellung von 0,06 mm und beim Einsatz einer Korngröße D91 und Kornkonzentration C100 bei den verwendeten Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten. Etwa wie bei den kunstharzgebundenen Schleifscheiben ist die Erhöhung des Zustellbetrages beim Schleifen der Schneidelemente mit den bronzegebundenen Schleifscheiben mit einer Zunahme der Rauheitsgröße gemittelte Rautiefe R z verbunden. Die gleichen Tendenzen gelten auch für den arithmetischen Mittenrauwert R a und die maximale Rautiefe R max. Die Variation der Kornkonzentration beim Einsatz der bronzegebundenen Schleifscheiben der Korngröße D46 hat ebenfalls einen geringen Einfluss auf die Oberflächengüte der geschliffenen Schneidelemente. Hier ist mit

86 64 Schleifen von Zerspanwerkzeugen zunehmender Kornkonzentration eine geringe Abnahme der erzeugten Oberflächenrauheit zu verzeichnen. Die Änderung der Schnittgeschwindigkeit beeinflusst wie bei der Verwendung der Kunstharzbindung sehr gering die Rauheitswerte der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente. Gleichzeitig sinkt mit einer Steigerung der Schnittgeschwindigkeit bei gleichen Schleifscheibenspezifikationen und weiteren Stellgrößen deren Oberflächenrauheit etwas ab. Ein deutlicher Einfluss mit der Variation der Vorschubgeschwindigkeit bei der Verwendung der metallischen Bindung auf die erzeugte Oberflächengüte beim Schleifen der Schneidelemente ist nicht festzustellen. 4.2 Ergebnisse der Schartigkeitsmessung Die Schneidkantengüte ist ein wesentlicher Bestandteil des Arbeitsergebnisses beim Schleifen von Zerpanwerkzeugen. Insbesondere bei der Herstellung von Werkzeugen für die Mikrozerspanung oder für welche, die im Mikrobereich zugestellt werden, wie beim Dreh-, Bohrer-, Fräs- und Reibwerkzeug, ist die Schneidkantengüte ein entscheidendes Kriterium für die Untersuchung des Schleifprozesses. Von Diagramm 4-9 bis Diagramm 4-12 ist die gemittelte Schartentiefe R s,z der geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von den Zustellungen a eff1 = 0,3 mm und a eff2 = 0,06 mm für beide Schleifscheibenbindungsmittel Kunstharz und Bronze sowie für die Diamantkorngrößen D46 und D91 und die Kornkonzentrationen C100 und C150 bei den Stellgrößen Schnittgeschwindigkeit v c1 = 30 m/s und v c2 = 20 m/s und Vorschubgeschwindigkeit v f1 = 60 mm/min und v f2 = 120 mm/min dargestellt.

87 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 65 Schartigkeit R s,z [µm] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl 1,0 0,5 0,0 a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-9: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Schartigkeit R s,z [µm] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl 1,0 0,5 0,0 a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-10: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

88 66 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Schartigkeit R s,z [µm] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl 1,0 0,5 0,0 a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-11: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Schartigkeit R s,z [µm] 6,0 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl 1,0 0,5 0,0 a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-12: Schartigkeit R s,z in Abhängigkeit von der Zustellung für die Kunstharz- und Bronzebindung und für verschiedene Schleifspezifikationen bei den Stellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min

89 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 67 Aus den oben dargestellten Diagrammen ist abzuleiten, dass mit der Erhöhung der Diamantkorngröße von D46 auf D91 für die kunstharzgebundenen Schleifscheiben bei gleich bleibender Zustellung, unabhängig von der Kornkonzentration und der beiden Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit, höhere Schartigkeitswerte zu verzeichnen sind. Gleiche Tendenzen aber in geringerem Maße sind beim Einsatz der bronzegebundenen Schleifscheiben zu sehen. Die Schartigkeit ist, unabhängig der Zustellung, beim Einsatz feinkörniger bronzegebundenen Diamantschleifscheiben sowohl für die Kornkonzentration C100 als auch für C150 höher als die bei der Verwendung grobkörniger kunstharzgebundenen Schleifscheiben. Die Diamantkorngröße ist ein wesentlicher Einflussfaktor zur Verbesserung der Schneidkantenqualität. Wie bereits im Stand der Technik (Kap ) beschrieben, ist die mittlere Spanungsdicke h cu am einzelnen Schneidkorn für die Schneidkantenausbildung verantwortlich. Sie lässt sich als Maß für die mechanische Belastung des Werkstücks bei der Schleifbearbeitung interpretieren. Bei einer Verringerung der mechanischen Belastung treten weniger Ausbrüche auf und die Qualität wird verbessert. Um pro Zeiteinheit die gleiche Menge am Werkstoff zu zerspanen, gleichzeitig aber die lokale mechanische Belastung zu senken, muss die Anzahl der aktiv am Schleifprozess beteiligten Diamantkörner erhöht werden. Dies lässt sich durch die Korngröße der eingesetzten Diamantschleifscheiben realisieren. Ein Vergleich der Ergebnisse zeigt, dass beim Schleifen mit der Kunstharzbindung die Schartigkeitswerte geringer sind als mit der metallischen Bronzebindung. Gründe dafür lassen sich auf die Bindungshärte zurückzuführen, welche bereits in Kap erläutert wurden. Wie in Diagramm 4-9 bis Diagramm 4-12 zu erkennen ist, werden die besten Schneidkantengüten bei geringen Zustellungen bei gleich bleibenden Schleifscheibenspezifikationen unabhängig von der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten erzielt. Mit höherer Zustellung nehmen sowohl die gemittelte Schartentiefe R s,z als auch deren Standardabweichung zu.

90 68 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Durch die Variation der Kornkonzentration kann die Schartigkeit nur in sehr kleinen Bereichen beeinflusst werden. Mit der Erhöhung der Kornkonzentration von C100 auf C150 bei Verwendung der Korngröße D46 sowohl mit kunstharz- als auch mit bronzegebundenen Schleifscheiben und bei gleichen Zustellbeträgen ist eine kleine Verringerung der Schartigkeit wahrzunehmen. Die geringsten Schartigkeitswerte (< 1,5 µm) werden bei kunstharzgebundenen Schleifscheiben der Diamantkorngröße D46 und Kornkonzentration C100 sowie C150 bei der Zustellung von 0,06 mm erreicht. Die höchsten Schartigkeitswerte (> 4,5 µm) treten bei bronzegebundenen Schleifscheiben der Diamantkorngröße D91 und Kornkonzentration C100 bei der Zustellung von 0,3 mm auf. Die Variation der Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen haben keinen signifikanten Einfluss auf die Schneidkantenausbildung der Schneidelemente. Während keine erheblichen Unterschiede bei der Verwendung der Schleifscheibenspezifikation D46 KB C100 im Vergleich zur D91 KB C100 bei gleich bleibender Zustellung unabhängig von der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit auf die Oberflächenrauheit festgestellt werden konnten (Diagramm 4-1 bis Diagramm 4-4), zeigen sich bei der Schartigkeit deutliche Differenzen. Von Diagramm 4-9 bis Diagramm 4-12 weisen für die Schleifscheibenspezifikation D46 KB C100 Schartigkeiten von etwa 1,8 µm für die Zustellung von 0,3 mm und ca. 1,4 µm für 0,06 mm auf. Bei der Verwendung der Schleifscheibenspezifikation D91 KB C100 ergeben sich Schartigkeitswerte von etwa 3,1 µm und 2,3 µm für die Zustellungen 0,3 mm und 0,06 mm. Dieses entspricht einer Verschlechterung der Schneidkante um etwa 60 % mit Erhöhung der Diamantkörngröße. Eine ähnliche Tendenz der Schartigkeit ist beim Einsatz der bronzegebundenen Schleifscheiben zu beobachten. Bei Bearbeitung der Zerspanwerkzeugen ist die Problematik der Schneidkantenqualität zu beachten. Werden zwei orthogonal zueinander liegende Flächen geschliffen, kann es zum Ausbrechen bzw. zur Beschädigung der

91 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 69 Schneidkante kommen. Die Qualität des Übergangs Freifläche-Spanfläche ist von großer Bedeutung, da die Feingestalt der Schneidkante einen wesentlichen Einfluss auf das Verschleißverhalten des Zerspanwerkzeugs und auf den Zustand der bearbeiteten Oberfläche haben kann. Zur qualitativen Beurteilung der Oberflächen und der Schneidkanten der geschliffenen Schneidelemente sind in Abbildung 4-1 bis Abbildung 4-4 der Einfluss der Variation der Schleifscheibenspezifikationen Diamantkorngröße D46, Bindungsmittel Kunstharz und Kornkonzentrationen C100 und C150 sowie der Stellgrößen Zustellung (a eff1 = 0,3 mm und a eff2 = 0,06 mm), Schnittgeschwindigkeit (v c1 = 30 m/s und v c2 = 20 m/s) und Vorschubgeschwindigkeit (v f1 = 60 mm/min und v f2 = 120 mm/min) auf die Freiflächen- bzw. Schneidkantenausbildung der geschliffenen Schneidelemente wiedergeben. Schleifparameter: D46 KB C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-1: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der großen Zustellung

92 70 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Schleifparameter: D46 KB C150 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 330 µm 600 µm Schleifparameter: D46 KB C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-2: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der geringen Zustellung Schleifparameter: D46 KB C150 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-3: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C150 und der großen Zustellung Abbildung 4-4: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C150 und der geringen Zustellung

93 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 71 Die Betrachtung der geschliffenen Schneidelemente bestätigt die Ergebnisse der Schartigkeitsmessung. Sowohl auf der Freifläche (links in den Bildern), als auch auf der Schneidkante (rechts in den Bildern) der geschliffenen Schneidelemente, welche mit dem geringen Zustellbetrag gefertigt wurden, sind keine Kantenausbrüche oder Beschädigungen erkennbar. Auf den Schneidkanten der Schneidelemente, die mit der großen Zustellung geschliffen wurden, sind minimale Ausbrüche sichtbar. Ferner sind lediglich vereinzelte Partikel wie Staub- bzw. kleinste Schmutzpartikel in den Abbildungen zu sehen. Die obigen Abbildungen bestätigen weiterhin, dass für die Schartigkeit eine sehr geringe Abhängigkeit von der Kornkonzentration vorliegt. Schlechtere Schneidkantengüten sind eher auf den verwendeten Zustellbetrag als auf die eingesetzte Kornkonzentrationsmenge sowie Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit zurückzuführen. Aus den Abbildungen lassen sich ebenso die Schleifriefen parallel zum Verlauf der Schneidkante deutlich identifizieren. Auf der Freifläche der Schneidelemente, die mit dem großen Zustellbetrag bzw. mit höheren Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten geschliffen wurden, sind, im Gegensatz zu den beiden anderen Schneidelementen, teils blaue Verfärbungen zu sehen. Diese lassen sich auf die hohen thermischen Beanspruchungen der geschliffenen Schneidelemente aufgrund höher werdender Temperaturen während des Schleifens bei den jeweils eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen bzw. Schleifparametern zurückzuführen. Als Folge darauf kann eine Veränderung der Randzoneneigenschaften der Schneidelemente eintreten, resultierend in einer Beeinträchtigung des Werkzeugverhaltens wie z. B. einer Erhöhung des Verschleißes und der Zerspankraft beim Einsatz des Werkzeugs. Abbildung 4-5 bis Abbildung 4-8 zeigen den Einfluss der Modifikation der Schleifscheibenspezifikationen D46 BZN mit Kornkonzentrationen C100 und C150 und verschiedenen Stellgrößen auf die Freiflächen- bzw. Schneidkantenausbildung.

94 72 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Abbildung 4-5: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der großen Zustellung Abbildung 4-6: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der geringen Zustellung Schleifparameter: D46 BZN C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min 330 µm 600 µm Schleifparameter: D46 BZN C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 330 µm 600 µm Schleifparameter: D46 BZN C150 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-7: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C150 und der großen Zustellung

95 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 73 Schleifparameter: D46 BZN C150 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-8: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C150 und der geringen Zustellung In den oben dargestellten Abbildungen sind wieder die parallel zur Schneidkante entstehenden Schleifriefen zu sehen. Die Abbildungen zeigen sehr deutlich die Verschlechterung der Schneidkanten beim Einsatz bronzegebundener Schleifscheiben der Körnung D46 im Vergleich zu kunstharzgebundenen Schleifscheiben der gleichen Korngröße. Die Schneidkanten weisen gut sichtbare Schneidkantenausbrüche bzw. -beschädigungen, entstanden durch den Schleifprozess, auf. Den Abbildungen ist ebenso zu entnehmen, dass mit geringeren Zustellungen bessere Schneidkantengüten herzustellen sind. Die Schartigkeitswerte der mit Korngröße D46 und der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente sind sowohl mit dem großen als auch mit dem geringen Zustellbetrag höher als die höchsten Schartigkeiten der mit der Korngröße D46 und der Kunstharzbindung hergestellten Schneidelemente, unabhängig von der Kornkonzentration sowie Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Ein Vergleich der Freiflächen der Schneidelemente, die mit den Schleifscheiben D46 KB und D46 BZN geschliffen wurden, bestätigt die Resultate der Oberflächenrauheit (siehe Kapitel 4.1). Die mit der metallischen Bronzebindung entstehenden Oberflächen sind wesentlich rauer als die mit der Kunstharzbindung. Eine leicht blaue Verfärbung der Freiflächen wie bei den in Abbildung 4-1 und Abbildung 4-3 gezeigten Schneidelementen ist hier auszuschließen. Die Ursache liegt in der hohen Wärmeleitfähig der metallischen Bindung, die einen wesentlich größeren Teil der erzeugten

96 74 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Wärme aus dem Schleifprozess abführen kann, was gegenüber der Kunstharzbindung zu einer geringeren thermischen Belastung der Schneidelemente führt. In Abbildung 4-9 bis Abbildung 4-12 sind geschliffene Schneidelemente, die mit der gröberen Körnungsgröße D91 und mit beiden Bindungsmitteln Kunstharz und Bronze hergestellt wurden, dargestellt. Bei den Stellgrößen Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit handelt es sich um die gleichen wie in den vorherigen Abbildungen. Abbildung 4-9: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der großen Zustellung Schleifparameter: D91 KB C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 330 µm 600 µm Schleifparameter: D91 KB C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-10: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der geringen Zustellung

97 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 75 Schleifparameter: D91 BZN C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleifparameter: D91 BZN C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 330 µm 600 µm Abbildung 4-11: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 BZN C100 und der großen Zustellung 330 µm 600 µm Abbildung 4-12: Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 BZN C100 und der geringen Zustellung Es zeigt sich sehr deutlich, dass die Variation der Bindung neben der Zustellung und der Korngröße einen großen Einfluss auf die entstehende Schneikante ausübt. Einerseits sind in Abbildung 4-9 und Abbildung 4-10 mit der Schleifscheibenspezifikation D91 KB C100 feine Ausbrüche im Bereich der Schneidkante zu erkennen, andererseits zeigen die Aufnahmen der Schneidkanten der Spezifikation D91 BZN C100 (Abbildung 4-11 und Abbildung 4-12) wesentlich größere Ausbrüche bzw. Beschädigungen. Die Schneidkanten, welche mit geringem Zustellbetrag geschliffen wurden, sind weniger beschädigt als jene mit großem Zustellbetrag. Im Vergleich zu den Schneidelementen, die mit der Korngröße D46 und Kornkonzentration C100 sowie mit der Kunstharzbindung (Abbildung 4-1 und Abbildung 4-2) und der Bronzebindung (Abbildung 4-5 und Abbildung 4-6) geschliffen

98 76 Schleifen von Zerspanwerkzeugen wurden, sind die Beschädigungen an den Schneidkanten ausgeprägter, was mit der Körnungsgröße D91 der Schleifscheibe zusammenhängt. Wie schon in den Darstellungen der Ergebnisse der Oberflächenrauheit und der Kantenschartigkeit aufgezeigt wurde, wirken sich gröbere Korngrößen infolge größerer Spanungsdicken negativ auf die Oberflächenbzw. Schneidkantengüte aus. Eine Reduzierung der Korngröße bewirkt dabei eine Abnahme der mittleren Spanungsdicke an der einzelnen Schneide. Mit kleineren Spanungsdicken sind geringere Kräfte an den einzelnen Schneiden verbunden und die punktuelle Belastung des Werkstoffs sinkt. Geringe Korngröße hat folglich einen positiven Effekt auf die Schneidkantengüte, denn sowohl die Größe der Ausbrüche als auch deren Häufigkeit nehmen ab. 4.3 Ergebnisse der Werkstoffanalyse Neben den Lichtaufnahmen ermöglichen REM-Aufnahmen eine weitere qualitative Beurteilung der Schneidkantengüte der geschliffenen Schneidelemente. Von Abbildung 4-13 bis Abbildung 4-15 werden REM- Aufnahmen der Freifläche bzw. Schneidkante der geschliffenen Schneidelemente gezeigt. Die Schneidelemente wurden mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben der Körnung D46 mit Kornkonzentration C100 und C150 bei Variation der Zustellung sowie der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit geschliffen.

99 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 77 Schleifparameter: D46 KB C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleifparameter: D46 KB C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 50 µm 25 µm Abbildung 4-13: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der großen Zustellung 50 µm 25 µm Abbildung 4-14: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 KB C100 und der geringen Zustellung

100 78 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 50 µm 50 µm Schleifparameter: D46 KB C150 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleifparameter: D46 KB C150 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Abbildung 4-15: REM-Aufnahme von der Freifläche der geschliffenen Schneidelemente mit der Spezifikation D46 KB C150 und mit der großen und der geringen Zustellung Bei der Betrachtung der REM-Aufnahmen sind kleine Ausbrüche bei der mit großer Zustellung geschliffenen Schneidkante (Abbildung 4-13) zu erkennen, welche minimal größer sind als die mit der geringen Zustellung gefertigten Schneidkante (Abbildung 4-14). Somit sind die Ergebnisse der Schartigkeitsmessung (Kap. 4.2), dass durch Abnahme der Zustellung eine bessere Schneidengüte entsteht, bestätigt. Eine Änderung der Kornkonzentration sowie der Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit beeinflussen die Schneidkantenausbildung nur geringfügig. Aus diesem Grund wurden keine REM-Aufnahmen von den Schneidkanten der mit hoher Kornkonzentration geschliffenen Schneidelemente durchgeführt. Dies gilt auch für die in Abbildung 4-18 dargstellten Schneidelemente.

101 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 79 Abbildung 4-16 bis Abbildung 4-18 zeigen vergleichend REM-Aufnahmen von der Freifläche bzw. Schneidkante der geschliffenen Schneidelemente, die mit bronzegebundenen Schleifscheiben der Körnung D46 mit Kornkonzentrationen C100 und C150 erzeugt wurden. 50 µm 25 µm Abbildung 4-16: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der großen Zustellung Schleifparameter: D46 BZN C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleifparameter: D46 BZN C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 50 µm 25 µm Abbildung 4-17: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D46 BZN C100 und der geringen Zustellung

102 80 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 50 µm Schleifparameter: D46 BZN C150 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleifparameter: D46 BZN C150 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 50 µm Abbildung 4-18: REM-Aufnahme von der Freifläche der geschliffenen Schneidelemente mit der Spezifikation D46 BZN C150 und mit der großen und der geringen Zustellung Die Beeinflussung der Modifikation der Bindung sowie der Zustellung auf die Schneidkantengüte ist anhand von REM-Aufnahmen ebenso deutlich zu sehen. Aus den Abbildungen ist zu erkennen, dass die Schneidkanten stärkere Ausbrüche aufweisen als jene mit Kunstharzbindung hergestellten Schneidelemente. Eine Betrachtung der Oberflächengüte wird ebenfalls mit Hilfe der REM- Aufnahmen ersichtlich. Die entstehenden Oberflächen beim Einsatz bronzegebundener Schleifscheiben (Abbildung 4-16 und Abbildung 4-17) sind wesentlich rauer als die mit den kunstharzgebundenen Scheiben (Abbildung 4-13 und Abbildung 4-14). Im rechten Teil der Bilder ist die Freifläche links von der Schneidkante zu sehen.

103 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 81 Die erzeugte Freifläche bzw. Schneidkante beim Schleifen der Schneidelemente mit den Spezifikationen D91 KB C100 und D91 BZN C100 sind in Abbildung 4-19 bis Abbildung 4-21 zu sehen. Schleifparameter: D91 KB C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleifparameter: D91 KB C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min 50 µm 25 µm Abbildung 4-19: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der großen Zustellung 50 µm 25 µm Abbildung 4-20: REM-Aufnahme von der Freifläche (links) und der Schneidkante (rechts) eines geschliffenen Schneidelements mit der Spezifikation D91 KB C100 und der geringen Zustellung

104 82 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 50 µm 50 µm Schleifparameter: D91 BZN C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleifparameter: D91 BZN C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Abbildung 4-21: REM-Aufnahme von der Freifläche der geschliffenen Schneidelemente mit der Spezifikation D91 BZN C100 und mit der großen und der geringen Zustellung Es zeigt sich, dass die Bindung neben der Korngröße und Zustellung einen wesentlichen Einfluss auf die Schneidkantegüte hat. Hier ist deutlich zu erkennen, dass die mit der Bronzebindung hergestellte Schneidkante sehr viel stärker geschädigt ist, als die mit der Kunstharzbindung gefertigte Schneidkante. Der einzige Unterschied dieser beiden geschliffenen Schneidelemente liegt folglich in der Bindung der Schleifscheibe. Die weitaus höhere Härte von Bronze gegenüber Kunstharz als Bindungsmittel hat entscheidende Auswirkungen auf die Schneidengüte der geschliffenen Schneidelemente. Eine Erhöhung der Zustellung ist dementsprechend mit einer Zunahme der Oberflächenrauheit und der Schartigkeit verbunden (siehe Kap. 4.1 und Kap. 4.2). Dieses Ergebnis spiegelt sich auch im Aussehen der geschliffenen Schneidelementoberflächen wieder und lässt sich durch einen Vergleich der beiden im Bild enthaltenen REM-Aufnahmen bestätigen. Eine Verbesserung der Schneidkantengüte ist nur durch eine Verminderung der mechanischen Beanspruchung der Schneidkante während der

105 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 83 Schleifbearbeitung zu erreichen. Die mechanische Beanspruchung der Schneidkante wird durch das Werkstoffvolumen charakterisiert, welches ein einzelnes Schneidkorn zerspanen muss. Nur eine deutliche Erhöhung der Anzahl der aktiv am Schleifprozess beteiligten Schneiden führt zur Reduzierung der Beanspruchung der Schneidkante beim Schleifen. Dies ist möglich durch die Verwendung feinkörniger Schleifscheiben bzw. erhöhter Kornkonzentration. Anhand der REM-Aufnahmen sind beim Schleifen aller Hartmetall- Schneidelemente mit den eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen keine Probleme bezüglich einer Rissbildung aufgetreten, welche den anschließenden Werkzeugeinsatz beeinträchtigen könnten. Die Schneidkantenbeschaffenheit bzw. Oberflächenqualität kann das Einsatz- und Verschleißverhalten von Werkzeugen beim Zerspanprozess erheblich beeinflussen, da die Geometrie für die Werkstofftrennung, Spanbildung und Formation der neu entstehenden Werkstoffoberflächen verantwortlich ist. Grundsächlich hängt die geforderte Gestaltung der Schneidkante vom Einsatzfall des Werkzeugs ab. Die Anforderungen an die Homogenität und die Reproduzierbarkeit der zur Verfügung stehenden Schneidkanten steigen kontinuierlich. In der Schneidkantengeometrie steckt ein erhebliches Potential zur Verbesserung der Leistung und Standzeit von Zerspanwerkzeugen. Zusätzlich zur REM-Aufnahme wurde zur quantitativen Bestimmung der Zusammensetzung eine energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) an den Freiflächen der geschliffenen Hartmetall-Schneidelemente vorgenommen. Hier wurde versucht zu ermitteln, inwieweit bzw. zu welchen Anteilen Bestände der Schleifscheiben wie Partikel der Diamantkörnung oder Rückstände des Bindungsmittels auf die Schneidelemente aufgebracht wurden. So entstand zu jeder der Schneidelemente ein Spektrum, in dem die Anteile der entdeckten Werkstoffe aufgelistet wurden.

106 84 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Beispielhaft ist in folgender Abbildung ein Spektrum der Werkstoffanalyse an einem geschliffenen Schneidelement abgebildet. Abbildung 4-22: Spektrum der Werkstoffanalyse (EDX) an einem geschliffenen Schneidelement In Abbildung 4-22 sind die großen Anteile an Wolfram und Kobalt deutlich zu sehen. Diese beiden Elemente bilden also den Hauptbestandteil der ermittelten Werkstoffe. Anhand der energiedispersiven Röntgenanalyse wurden die Anteile von Wolfram und dem Binder Kobalt aus der Zusammensetzung der Hartmetall-Schneidelemente bestätigt. Der Anteil an Wolfram und Kobalt ist bei allen untersuchten Schneidelementen etwa gleich. Weiter wurde keine relevante Spur von Elementen der verwendeten Diamantschleifscheiben, weder Kunstharz noch Bronze, bei den gefertigten Schneidelementen festgestellt.

107 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Ergebnisse der Härtemessung Zur Charakterisierung der Randzoneneigenschaften der geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Variation der Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen wurden an den Schneidelementen Mikrohärtemessungen HV1 durchgeführt. Ziel dieser Härtemessungen war jedoch nicht die exakte zahlenmäßige Beschreibung der Randzonenhärte bzw. die Überprüfung der Aussagefähigkeit von Härteangaben. Vielmehr sollte die qualitative Beschreibung der Härteänderungen der Schneidelemente in Abhängigkeit von den Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen analysiert werden. Bei der Mikrohärtemessung am Rand der geschliffenen Schneidelemente war es nicht möglich, eine deutliche Veränderung der Härtewerte oder eine eindeutige Tendenz zu einer eventuellen Erweicherung der Schneidelemente, weder an der Freifläche noch an der Spanfläche, zu ermitteln. Im Grundgefüge war eine Beeinflussung der Härte durch den Schleifprozess nicht feststellbar. Von Diagramm 4-13 bis Diagramm 4-16 sind die Ergebnisse der Mikrohärtemessungen nah an der Spitze der geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von den eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen sowie Schleifparametern wiedergegeben. Als Vergleichs- bzw. Referenzwert wurde zudem in jedem Diagramm eine Messung, welche aus einer ungeschliffenen Referenzprobe resultierte, mit aufgenommen.

108 86 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Mikrohärte HV Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Referenz a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-13: Härtemessung in Abhängigkeit von Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Mikrohärte HV Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Referenz a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-14: Härtemessung in Abhängigkeit von Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

109 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 87 Mikrohärte HV Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Referenz a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-15: Härtemessung in Abhängigkeit von Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Mikrohärte HV Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Referenz a eff1 a eff2 D46 KB C100 a eff1 a eff2 D46 KB C150 a eff1 a eff2 D91 KB C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C100 a eff1 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 a eff2 D91 BZN C100 Diagramm 4-16: Härtemessung in Abhängigkeit von Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen für v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min

110 88 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Aus den obigen Diagrammen ist festzustellen, dass alle gemessenen Härtewerte der geschliffenen Schneidelemente bei allen eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen niedriger sind als der Referenzwert. Ebenso ist deutlich zu erkennen, dass alle Schneidelemente, die mit dem geringen Zustellbetrag geschliffen wurden, höhere Mikrohärtewerte aufweisen als Schneidelemente, die mit dem großen Zustellbetrag bei gleichen Schleifscheibenspezifikationen hergestellt wurden. Die Reduzierung der Korngröße von D91 auf D46 verursacht beim Schleifen eine Senkung der Härte, sowohl bei der Verwendung der Kunstharzbindung als auch bei der Bronzebindung. Bei letzterer fällt die Reduzierung jedoch geringer aus als bei der Kunstharzbindung. Die Diagramme zeigen ebenso eine eindeutige Differenz der Härtewerte zwischen beiden Bindungsmitteln. Bei allen eingesetzten Schleifparametern lagen die Härtewerte der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente über denen der Kunstharzbindung. Eine Ausnahme stellte einzig die Härte der Schneidelemente dar, welche mit der Schleifspezifikation D91 KB C100 geschliffen wurde und deren Härtewerte höher waren als jene, die mit den Spezifikationen D46 BZN C100 und C150 bei der großen Zustellung hergestellt wurden. Die Bronzebindung kann aufgrund der höheren Wärmeleitfähigkeit mehr Wärme aus dem Prozess abführen. Somit sind geringere thermische Belastungen des Werkstücks beim Schleifen mit bronzegebundenen Schleifscheiben möglich. Durch die Variation der Kornkonzentration erfolgt eine leichte Änderung der Härte. Mit der Erhöhung der Kornkonzentration von C100 auf C150 bei gleich bleibenden Spezifikationen Diamantkorngröße, Bindungsmittel sowie den Stellgrößen Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit wurden tendenziell niedrigere Härtewerte erfasst. Eine Erhöhung der aktiv am Zerspanprozess beteiligten Schneiden infolge der erhöhten Kornkonzentration führt zu höheren Temperaturen beim Schleifprozess, was eine Erweichung des Werkstoffes zur Folge haben kann.

111 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 89 Den Diagrammen (vgl. Diagramm 4-14 und Diagramm 4-15) kann ebenfalls entnommen werden, dass mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit sowie Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen der Schneidelemente mit gleicher Schleifscheibenspezifikation und Zustellung eine deutliche Tendenz zu niedrigeren Härtewerten besteht. Durch eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit sind pro Zeiteinheit mehr Schleifkörner am Zerspanprozess beteiligt, sodass die Belastung der Schleifscheibe und damit die Belastung des Werkstücks sinkt. Gleichzeitig erhöht sich jedoch auch die in den Prozess eingebrachte Leistung, was eine Steigerung der Temperaturen in der Kontaktzone zur Folge hat. Es kann zu einer Senkung der Härte des Werkstücks kommen, wie bereits in /62/ ermittelt wurde. Die niedrigsten Härtewerte, welche beim Schleifen mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben der Korngröße D46 und der Kornkonzentrationen C100 und C150 sowie mit der großen Zustellung und den hohen Schnittund Vorschubgeschwindigkeiten ermittelt wurden, lagen bei 1525 HV1, also ca. 10% unter dem Referenzwert. Somit ist die Korrelation mit der entstandenen bläulichen Verfärbung auf der Freifläche dieser Schneidelemente (Abbildung 4-1 und Abbildung 4-3) bestätigt. Mit größeren Zustellungen bzw. höheren Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten sind die thermischen Belastungen der geschliffenen Schneidelemente hoch genug um die Härte zu beeinflussen. Die relativ breiten Fehlerbalken (Standardabweichung) in den Diagrammen der Härtemessung sind auf Messwertschwankungen bzw. eventuelle Messfehler zurückzuführen. Mögliche Messfehler sind z. B. Fehler beim Setzen der Härteeindrücke, die dadurch entstehen, dass die Schneidelemente beim Auflegen auf die Mikrohärteprüfeinrichtung, nicht immer genau gerade aufgelegt werden konnten. Die Schwierigkeit bestand, angesichts der entstehenden Geometrie des Schneidelements nach seiner Spaltung, in einer korrekten Probeneinbettung. Durch leichte Schrägstellung der Schneidelemente bei der Härtemessung könnten die Härteeindrücke ein klein wenig weiter zum Rand hin oder vom Rand weg versetzt und so nicht immer exakt an die gleichen Stellen gesetzt worden sein. Auch kann die

112 90 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Schrägstellung eine Rissbildung im Werkstück verursacht haben, was Messfehler zur Folge hat. Für eine detaillierte Analyse der Randzonenveränderungen besitzen die Härtemessungen keine hinreichende Aussagekraft. Um die Aussagen der Mikrohärtemessung zu verifizieren bzw. bestätigen, erfolgt im Folgenden die Charakterisierung der Randzone der geschliffenen Schneidelemente anhand Gefügeanalyse sowie röntgenographischer Eigenspannungsmessungen an den Oberflächen. 4.5 Ergebnisse der Gefügeanalyse Ziel der Gefügeuntersuchung war es, herauszufinden, ob sich die Randschicht der Schneidelemente durch den Schleifprozess verändern und Einflüsse eventueller erhöhter Temperaturen beim Schleifen der Schneidelemente erkennbar sind. Anhand der Gefügebetrachtung konnten optisch keine Veränderungen der Gefügestruktur aller geschliffenen Schneidelemente nachgewiesen werden. Anhand der Gefügeaufnahmen war lediglich die sehr feinkörnige und kantige Struktur der Elemente des Hartmetalls nachweisbar. Weitere Untersuchungen zur Frage der Randzonenbeeinflussung beim Schleifen befassten sich mit der Detektierung sowie der Sichtbarmachung von Rissen bzw. Rissstrukturen. Mikrorisse breiten sich unter Belastung beim Einsatz des Zerspanwerkzeugs aus und können zum kurzseitigen Versagen des Werkzeugs führen. Anhand der Gefügeanalyse sind beim Schleifen aller Schneidelemente der verschieden eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen keine Probleme bezüglich Mikrorisse aufgetreten. Es wurden jedoch andere wichtige Kenntnisse zu den Ergebnissen der Mikrohärteprüfung (Kap. 4.4) gewonnen. Die Gefügeaufnahmen zeigten, dass beim Setzen der Mikrohärteeindrücke einige Einflüsse bzw. Schädi-

113 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 91 gungen der Oberfläche einzelner Schneidelemente bezüglich der Rissbildung entstanden waren die die Härteeindrücke beeinträchtigen könnten. Eine Ausprägung ist in Abbildung 4-23 zu sehen. Abbildung 4-23: Rissentstehung auf der Schneidelementoberfläche infolge des Setzens eines Mikrohärteeindruckes In dieser Aufnahme ist zu erkennen, dass am Rand des Mikrohärteeindruckes ein Riss in der Oberfläche des Schneidelements entstanden ist. Dies bedeutet, dass der Härtewert an diesem Eindruck leicht verfälscht ist, was einen Messfehler zur Folge hat. Anhand der Gefügeuntersuchungen können eventuelle Beschädigungen der Randzonen von den thermischen Belastungen nicht beurteilt werden. Anschließend sollen die Eigenspannungen an den geschliffenen Schneidelementen gemessen werden, um eventuelle Veränderungen der Eigenschaften der Randzone zu ermitteln, welche für das Verschleißverhalten des Werkzeugs signifikant sein können.

114 92 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 4.6 Ergebnisse der röntgenographischen Eigenspannungsmessung Die bisherigen Untersuchungen beim Schleifen der Hartmetall- Schneidelemente weisen darauf hin, dass insbesondere die verwendete Schleifscheibenspezifikation aber auch die gewählten Stellgrößen wesentlichen Einfluss auf die erzeugte Oberflächen- und Schneidkantengüte sowie auf die Randzoneeigenschaft der geschliffenen Schneidelemente haben. Die Werkstückeigenschaften werden von den mechanischen und thermischen Belastungen während des Schleifprozesses gleichzeitig bestimmt. Das Zusammenwirken dieser Belastungen ist für die Randzonenausbildung im Werkstück verantwortlich. Der Einsatz beispielweise feinerer Korngrößen, höherer Kornkonzentration sowie höherer Schnittgeschwindigkeit infolge geringerer Spanungsdicke führt zu einer Verringerung der mechanischen Belastungen der geschliffenen Schneidelemente. Gleichzeitig steigt der Einfluss der thermischen Belastungen. Als Ergebnis stellen die Eigenschaften der Oberfläche und der Randzone der geschliffenen Schneidelemente eine direkte Folge des eingestellten Schleifprozesses dar. Anhand von röntgenographisch ermittelten Eigenspannungen können diese Wirkungen näher charakterisiert werden. Aufgrund der gewonnenen Erkenntnisse aus den bereits dargestellten Untersuchungen wurden insgesamt vier geschliffene Schneidelemente auf Eigenspannungen untersucht. Dabei fiel die Wahl auf jene Schneidelemente, die nach dem Schleifprozess die beste Oberflächen- und Schneidkantengüte aufweisen, welche für das Einsatzverhalten der Schneidelemente entscheidend sein können. Dies waren Schneidelemente, gefertigt mit der kunstharzgebundenen Diamantschleifscheibe mit Korngröße D46 und der geringen Zustellung als Schleifparameter. Als weiterer Schleifparameter wurde die niedrigste Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit gewählt. Aufgrund der geringeren Einflüsse auf die Eigenschaften der geschliffenen Schneidelemente mit Zunahme der Kornkonzentration und der geringeren Kosten einer Schleifscheibe mit geringer Kornkonzentration

115 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 93 wurde als Kornkonzentration C100 genommen. Anhand der Lichtaufnahmen und der Mikrohärtemessung der geschliffenen Schneidelemente konnten eventuelle thermische Einflüsse auf den Schneidelementoberflächen aufgrund höherer entstehenden Temperaturen während des Schleifens bei den eingestellten Stellgrößen ermittelt werden, welche die Randzoneneigenschaften der Schneidelemente verändern. Infolgedessen wurden Schneidelemente für die Eigenspannungsmessung gewählt, die, bei gleicher Schleifscheibenspezifikation, mit großer Zustellung sowie hoher Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit geschliffen wurden. In Diagramm 4-17 sind die röntgenopraphischen Eigenspannungen an den geschliffenen Schneidelementen in Abhängigkeit von der Schleifscheibespezifikationen und Stellgrößen dargestellt. Die Durchführung der Eigenspannungsmessungen erfolgte einheitlich auf der Freifläche der Schneidelemente Crkα - Strahlung Braggwinkel 2θ = 124,5 Netzebene = {111} Eigenspannung σ [Mpa] Schleifparameter: D46 KB C100 a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min v f2 = 120 mm/min Schleiföl a eff1 v c1 v f2 a eff2 v c1 v f2 a eff1 v c2 v f1 a eff2 v c2 v f1 Diagramm 4-17: Röntgenographische Eigenspannungen an den geschliffenen Schneidelementen

116 94 Schleifen von Zerspanwerkzeugen Dem Diagramm ist zu entnehmen, dass lediglich Druckeigenspannungen an den geschliffenen Schneidelementen gemessen wurden. Der Eigenspannungszustand wird deutlich von den verwendeten Schleifparametern beeinflusst, was auf die verschiedenen mechanischen und thermischen Einflüsse bei der Verwendung verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen bzw. Stellgrößen im Schleifprozess zurückgeführt werden kann. Mit zunehmender Zustellung bei gleicher Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit lässt sich eine deutliche Verschiebung der Druckeigenspannungen in Zug-Richtung erkennen. Beim Schleifen mit der geringen Zustellung bzw. der niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit entstehen höhere Druckeigenspannungen. Daher dominieren die mechanischen gegenüber den thermischen Einflüssen des Schleifprozesses. Bei der Verwendung der großen Zustellung und der niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit sinken die Druckeigenspannungen. Hier ist der thermische Einfluss größer als der mechanische. Eine gleiche Tendenz ist mit der Variation der Zustellung beim Schleifen mit hoher Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit zu erkennen, wenn niedrigere Druckeigenspannungen bei großer Zustellung erfasst wurden. Ferner sind Einflüsse der Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit auf die Eigenspannungen festzustellen. Mit Erhöhung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit sinken die Druckeigenspannungen an der Werkstückoberfläche bei gleichen Zustellbeträgen. Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bewirkt eine Abnahme der Spanungsdicken an der einzelnen Schneide. Mit kleineren Spanungsdicken sinken die Kräfte an den einzelnen Schneiden und damit die vom Schneideneingriff ausgehenden plastischen Verformungen in der Randzone. Analog gilt dies auch für den Einsatz verschiedener Korngrößen und Kornkonzentrationen. Aufgrund der Zerspanungskinematik bewirkt eine Reduzierung der Korngröße bzw. eine Erhöhung der Kornkonzentration beim Schleifen eine Verringerung der Spanungsdicke an den einzelnen Schneiden aber eine Zunahme der Wärmeentwicklung in der Kontaktzone. Die Folge ist eine Verringerung der mechanischen Belastungen bzw. eine Erhöhung der thermischen Belastungen der Werkstückrandzone. Dabei ver-

117 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 95 lagern sich die Eigenspannungszustände in Richtung Zugeigenspannungen. Solche Beziehungen wurden ebenso von /54/ ermittelt. Der hohe Umsatz an Leistung in Schleifprozessen wird zu einem großen Teil in Wärme umgewandelt. Die Menge an Energie, welche zur Entfernung eines bestimmten Materialvolumens, das relativ zur Kontaktzonengröße steht, benötigt wird, ist durch die spezifische Schleifenergie gegeben. Diese sowie die Spanungsdicke weisen am einzelnen Schleifkorn einen deutlichen Zusammenhang auf. Eine kleinere Einzelkornspanungsdicke führt zu einer Erhöhung der spezifischen Schleifenergie und somit zu einem größeren thermischen Einfluss des Schleifprozesses. Eine größere Einzelkornspanungsdicke führt dagegen zu einer Abnahme der thermischen aber zu einer Erhöhung der mechanischen Einflüsse und somit zu einem effektiveren Materialabtrag, da ein hoher Anteil an spröder Materialtrennung erfolgt /5/, /24/. Eigenspannungen sind das Resultat der mechanischen und thermischen Randzonebeeinflussung bei der Schleifbearbeitung und stellen ein wichtiges Qualitätskriterium dar. Der Schleifprozess induziert aufgrund der mechanischen Belastungen hohe Druckeigenspannungen in der Randzone der geschliffenen Schneidelemente. Thermische Belastungen werden durch die Reibung bzw. Wärmeentwicklung bei der Schleifbearbeitung verursacht und führen zu einer Reduktion der Druckeigenspannungen in der Randzone. Das Verschleißverhalten kann vom Eigenspannungszustand in der Randzone im anschließenden Werkzeugeinsatz in hohen Maßen beeinflusst werden. Die Ergebnisse der Eigenspannungsmessung korrelieren mit denen der Mikrohärtemessung (siehe Kap. 4.4). Schneidelemente, bei welchen mechanische Belastungen dominierten, zeigen höhere Druckeigenspannungen bzw. höhere Härtewerte als Schneidelemente, die unter größeren thermischen Belastungen bzw. unter geringerer mechanischen Belastung standen. Welche Auswirkungen diese Randzonenveränderungen anhand der röntgenopraphischen Eigenspannungsmessung bei der Schleifbearbeitung auf

118 96 Schleifen von Zerspanwerkzeugen das Einsatz- und Verschleißverhalten der Schneidelemente haben, wird anschließend in Zerspanversuchen untersucht. 4.7 Zusammenfassung Schleifen von Zerspanwerkzeugen Innerhalb dieses Kapitels wurden Einflüsse der Schleifscheibenspezifikationen Korngröße, Bindungsmittel und Kornkonzentration sowie der Stellgrößen Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit auf die Oberflächengüte, die Schneidkantengüte und auf die Randzoneneigenschaften bezüglich der Härte, des Gefüges und des Eigenspannungszustandes der Hartmetall-Schneidelemente beim Schleifprozess untersucht. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die verwendeten Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen erheblichen Einfluss auf die Qualität der geschliffenen Schneidelemente haben. Die Verwendung grober Diamantschleifscheiben verursacht eine Verschlechterung der Oberflächenrauheit beim Schleifen der Schneidelemente unabhängig von der Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen. Weiterhin ist eine Erhöhung der Rauheitswerte beim Einsatz von großen Zustellungen beim Schleifen mit den Korngrößen D46 und D91, unabhängig von der Kornkonzentration sowie Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit, zu sehen. Das Schleifen mit Schleifscheiben höherer Kornkonzentrationen bewirkt tendenzielle Verbesserungen der Oberflächen. Das Gleiche gilt bei erhöhten Schnittgeschwindigkeiten. Die Vorschubgeschwindigkeit nimmt einen geringen Einfluss auf die erzeugte Oberflächengüte. Ausschlaggebend für die erreichbaren Oberflächengüten sind neben der Korngröße der Schleifscheiben und der Zustellung insbesondere das Bindungsmittel der Schleifscheiben. Im Vergleich zu bronzegebundenen Schleifscheiben führen kunstharzgebundene Schleifscheiben zu wesentlich besseren Oberflächengüten. Die vorangegangenen Untersuchungen ergaben ferner, dass die Schneidkantenqualität der geschliffenen Schneidelemente ebenso erheblich von

119 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 97 den eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen sowie Stellgrößen beeinflusst wird. Mit Erhöhung der Diamantkorngröße verschlechtern sich die Schartigkeitswerte beim Schleifen der Schneidelemente bei gleich bleibender Zustellung, unabhängig von der Kornkonzentration und der Stellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Beim Einsatz kunstharzgebundener Schleifscheiben sind niedrigere Schartigkeiten zu erkennen als bei Verwendung bronzegebundener Schleifscheiben. Zudem werden niedrige Schartigkeitswerte bei geringen Zustellungen bei gleich bleibenden Schleifscheibenspezifikationen, unabhängig von der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit, gemessen. Die Variation der Kornkonzentration beeinflusst die Schartigkeit nur in geringem Maße, wobei eine bessere Schneidkantengüte bei höherer Kornkonzentration ermittelt wurde. Einen signifikanten Einfluss auf die erzeugten Schneidkanten der geschliffenen Schneidelemente konnte mit der Variation der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit nicht festgestellt werden. Deutlich ist, dass mit einer Kombination der Schleifparameter bzw. Schleifscheibenspezifikation unterschiedliche Oberflächen- bzw. Schneidkantengüten erzeugt werden. Die Schartigkeitswerte der geschliffenen Schneidelemente liegen um ein vielfaches über den gemessenen Freiflächenrauheiten. Die Schneidkante reagiert bei der Schleifbearbeitung demnach wesentlich empfindlicher als die Oberflächenrauheit. Höhere mechanische Belastungen der geschliffenen Schneidelemente werden z. B. durch den Einsatz grober Diamantkorngrößen infolge wachsender Spanungsdicken verursacht. Kunstharzgebundene Schleifscheiben können, im Vergleich zu bronzegebundenen, zu höheren thermischen Belastungen der Schneidelemente führen. Die Folgen sind verschlechterte Schneidkanten und möglicherweise Veränderungen der Randzoneneigenschaften der Schneidelemente, was das Verschleißverhalten der Schneidelemente beim Einsatz beeinflusst. Weiterhin ist zu erwähnen, dass anhand der REM-Aufnahmen keine Rissbildung beim Schleifen der Hartmetall-Schneidelemente mit den einge-

120 98 Schleifen von Zerspanwerkzeugen setzten Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen aufgetreten ist. Ferner konnte mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) bei der Schleifbearbeitung keine relevante Spur von Elementen der verwendeten kunstharz- und bronzegebundenen Diamantschleifscheiben an den Schneidelementen festgestellt werden. Aus den dargestellten Ergebnissen der Mikrohärtemessung ist zu schließen, dass durch die eingesetzten Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen die Härte der geschliffenen Schneidelemente beeinflusst wird. Schneidelemente, die mit großer Zustellung und feiner Diamantkorngröße geschliffen wurden, wiesen niedrigere Härtewerte auf. Das Schleifen mit der Kunstharzbindung führt ebenso zu niedrigeren Härten als mit der Bronzebindung. Die Untersuchungen am Gefüge der geschliffenen Schneidelemente haben gezeigt, dass beim Schleifprozess optisch keine Beeinflussung der Randzone bezüglich von Veränderungen der Randschicht der Schneidelemente aufgetreten ist. Weiter weisen die Untersuchungen zum Schleifen der Schneidelemente daraufhin, dass die mechanische und thermische Beanspruchung bei der Schleifbearbeitung wesentlichen Einfluss auf den Eigenspannungszustand in der Oberflächenrandzone ausüben. Festzustellen ist, dass durch überwiegend mechanische Belastungen beim Schleifen der Schneidelemente Druckeigenspannungen auftreten, welche mit der Variation der Stellgrößen beim Schleifen erhöht oder in Richtung Zugeigenspannungen verschoben werden können. Geringe Zustellung und niedrige Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit führen bei der Verwendung kunstharzgebundener Diamantschleifscheiben zu höheren Druckeigenspannungen in der Werkstückrandzone. Die Erhöhung der Zustellung und die Steigerung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit bewirken eine Senkung der Druckeigenspannungen. Die Eigenspannungsmessung korreliert mit der Härtemessung der geschliffenen Schneidelemente, indem beide Messungen eine gleiche Tendenz zeigten. Höhere Druckeigenspannungen bzw. höhere Härtewerte

121 Schleifen von Zerspanwerkzeugen 99 werden bei Schneidelementen, welche unter höheren mechanischen Belastungen standen, erfasst. Schneidelemente, welche unter höheren thermischen bzw. geringeren mechanischen Belastungen standen, weisen niedrigere Druckeigenspannungen und Härtewerte auf.

122 100 Zerspanversuche 5 Zerspanversuche Die im Kapitel 4 dargestellten Ergebnisse belegen, dass durch das Schleifen mit verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen die Qualität der Oberflächen und der Schneidkanten sowie die Eigenschaften der Randzonen der Hartmetall-Schneidelemente in großem Maße beeinflusst werden können. Die beim Schleifen stattfindenden mechanischen und thermischen Beanspruchungen sind für die erreichbare Qualität der Werkzeuge und die daraus resultierende Zerspanleistung von wesentlicher Bedeutung. Im folgenden Kapitel wird das Einsatzverhalten von den geschliffenen Schneidelementen in Abhängigkeit von der Schnittzeit näher erläutert. Es folgt zunächst ein Vergleich der Kraftverläufe der im Einsatz geschliffenen Schneidelemente, anschließend wird das Verschleißverhalten beim Zerspanprozess analysiert. Zuletzt findet eine fotografische Dokumentation des Verschleißes statt. 5.1 Ergebnisse der Prozesskraft Nachstehend werden die Schnittkraft- und die Vorschubkraftverläufe der durch verschiedene Schleifscheibenspezifikationen und Schleifparameter geschliffenen Schneidelemente beim Einsatz dargestellt. Aufgrund des im Zerspanprozess sehr geringen Betrages der Passivkraft im Vergleich zur Schnitt- und Vorschubkraft wird diese in den Auswertungen unberücksichtigt bleiben. Als Standzeitende wurde eine Schnittzeit t c von 22 min auf dem Versuchswerkstoff C45E festgelegt. Als Bearbeitungsparameter kam eine Schnittgeschwindigkeit v c von 157 m/min und eine Zustellung f Z von 0,030 mm zum Einsatz.

123 Zerspanversuche Ergebnisse Schnittkraft Ergebnisse beim Schleifen mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 5-1 bis Diagramm 5-4 stellen die Verläufe der Schnittkraft in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente dar. Schnittkraft F c [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-1: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min

124 102 Zerspanversuche Schnittkraft F c [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-2: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Schnittkraft F c [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-3: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min

125 Zerspanversuche 103 Schnittkraft F c [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-4: Schnittkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Die Diagramme zeigen, dass mit zunehmender Schnittzeit ein Anstieg der Schnittkräfte aller eingesetzten Schneidelemente zu verzeichnen ist. Der Kraftverlauf ist gekennzeichnet durch einen etwas schnelleren Anstieg der Kräfte zu Beginn, anschließend durch einen nahezu linearen Anstieg. Bei den höheren Anfangskräften sind die Schnittkräfte auch am Standzeitende größer. Es ist zu erkennen, dass die Kraftverläufe der Schneidelemente von den verwendeten Schleifscheibenspezifikationen und Schleifstellgrößen sehr stark beeinflusst werden. Aufgrund der unterschiedlichen Qualitäten der erzeugten Schneidkanten (siehe Ergebnisse der Schartigkeitsmessung Kap. 4.2) und der Einflüsse auf die Randzoneneigenschaften der geschliffenen Schneidelemente (siehe Ergebnisse der Härtemessung Kap. 4.4 und Ergebnisse der röntgenographischen Eigenspannungsmessung Kap. 4.6) weisen die Kraftverläufe Unterschiede auf. Eine Erhöhung der Diamantkorngröße und eine Steigerung der Zustellung beim Schleifen der Schneidelemente nimmt beim Einsatz direkt Einfluss auf die Schnittkräfte. Schneidelemente, die mit den feinen Diamantschleif-

126 104 Zerspanversuche scheiben geschliffen wurden, zeigen niedrigere Schnittkräfte. Ebenso ist eine Abnahme der Kräfte bei den mit geringer Zustellung hergestellten Schneidelementen zu erkennen. Die Schnittkraft der Schneidelemente, die mit der Diamantkorngröße D91 geschliffen wurden, sind bei der geringen bzw. großen eingesetzten Zustellung nach einer Schnittzeit von 22 min ca. 22 % bzw. 18 % höher als die Schnittkraft der Schneidelemente, welche mit der Diamantkorngröße D46 gefertigt wurden, unabhängig von der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Dies bedeutet eine Schnittzeitdifferenz von 6 bis 9 min. Die Kraftverläufe der mit der feinen Diamantkörnung und großen Zustellung geschliffenen Schneidelemente sind niedriger als jene Schneidelemente, die mit grober Diamantkörnung und geringer Zustellung hergestellt wurden, was sich auf die schlechte Qualität der Schneidkanten zurückführen lässt (vgl. Kap. 4.2). Die Erhöhung der Kornkonzentration beim Schleifen bewirkt geringfügig höhere Kraftverläufe während der Schnittzeit. Obwohl die Schneidelemente, die mit der hohen Kornkonzentration geschliffen wurden, geringere Schartigkeitswerte aufwiesen, zeigten diese ein höheres Schnittkraftniveau. Dies lässt sich mit der hohen thermischen Belastungen der geschliffenen Schneidelemente bedingt durch die höher entstandenen Temperaturen während der Schleifbearbeitung beim Einsatz höherer Kornkonzentrationen erklären. Die Variation der Schleifstellgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit führt ebenso zu unterschiedlichen Kräfteniveaus. Alle eingesetzten Schneidelemente, die mit niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten bei gleich bleibender Schleifscheibespezifikation und Zustellung geschliffen wurden, wiesen die niedrigsten Schnittkräfte auf. Die höchsten Schnittkräfte wurden bei Schneidelementen mit hohen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten hergestellt. Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bzw. Senkung der Vorschubgeschwindigkeit, aber auch durch Reduktion der Schnittgeschwindigkeit bzw. durch Anstieg der Vorschubge-

127 Zerspanversuche 105 schwindigkeit beim Schleifen der Schneidelemente resultieren in ähnlichen Kraftverläufen bzw. -niveaus. Schneidelemente, die höhere Schartigkeitswerte aufweisen und beim Schleifen unter hohen thermischen Belastungen stehen, führen zu höheren Schnittkräften, was das Verschleißverhalten und die Lebensdauer der Schneidelemente beeinflussen kann Ergebnisse beim Schleifen mit bronzegebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 5-5 bis Diagramm 5-8 zeigen die Verläufe der Schnittkraft in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die mit bronzegebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente. Schnittkraft F c [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-5: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min

128 106 Zerspanversuche Schnittkraft F c [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-6: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Schnittkraft F c [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-7: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min

129 Zerspanversuche 107 Schnittkraft F c [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-8: Schnittkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Aus den Diagrammen ist mit zunehmender Schnittzeit bei allen mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelementen ebenfalls ein Anstieg der Schnittkräfte zu erkennen. Die Kraftverläufe sind hier ähnlich wie die der Schneidelemente, welche mit der Kunstharzbindung hergestellt wurden. Die Kräfte steigen zu Beginn etwas stärker an und verlaufen bis zum Standzeitende schließlich nahezu linear. Die Kräfte weisen hier, im Vergleich zu den mit Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelementen, einen nicht so harmonischen Verlauf auf. Der harmonischere Verlauf der Kräfte deutet darauf hin, dass mit geringen Freiflächenverschleiß bzw. Aufbauschneiden gerechnet werden kann. Der Einsatz der Schneidelemente, die mit bronzegebundenen Schleifscheiben und mit verschiedenen Korngrößen, Kornkonzentrationen sowie Stellgrößen Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit hergestellt wurden, zeigen im Vergleich zu den Schneidelementen, die mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben bei gleichen Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen geschliffen wurden, ähnliche Schnittkraftverläufe. Die Schnittkräfte unterscheiden sich lediglich im Niveau.

130 108 Zerspanversuche Diese Zerspanuntersuchungen haben dargelegt, dass nach der Schnittzeit von 22 min die Schnittkraft der mit Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente beim Einsatz feiner Schleifscheiben (D46) um bis zu 29 % und bei der Verwendung grober Schleifscheiben (D91) um 18 % höher liegen, im Vergleich zur Schnittkraft der mit Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente, bei gleichen Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen. Das entspricht beim Zerspaneinsatz der Schneidelemente einer Schnittzeitdifferenz von zum Teil über 9 min. Die Differenz der Zerspankräfte zwischen den mit beiden Bindungsmitteln hergestellten Schneidelementen hängt mit den Ergebnissen der Schartigkeitsmessung (Kap. 4.2) zusammen. Hier ist der Unterschied zwischen den Schartigkeitswerten der Schneidelemente, die mit beiden Bindungsmitteln und feiner Diamantkorngröße geschliffen wurden, größer als die Differenz zwischen den Schartigkeitswerten der gleichen Schneidelemente, welche mit grober Diamantkorngröße hergestellt wurden. Die Schnittkraftverläufe beim Einsatz der mit der Bronzebindung gefertigten Schneidelemente sind andere als bei der Zerspanuntersuchung der mit Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente. Die Schnittkräfte der Schneidelemente, welche mit der feinen Diamantkorngröße bzw. großen Zustellung hergestellt wurden, sind gleich oder zum Teil größer als die der Schneidelemente, die mit grober Diamantkorngröße und geringer Zustellung geschliffenen wurden. Diese Ergebnisse entsprechen den Resultaten der Schartigkeitsmessung (Kap. 4.2). Geringere Zerspankräfte resultieren aus besseren Schneidkantengüten. Durch Variation der Kornkonzentration werden die Kraftverläufe bzw. wird das Kraftniveau beim Einsatz der mit bronzegebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente, im Gegensatz bei Verwendung von kunstharzgebundenen Schleifscheiben kaum beeinflusst. Grund dafür ist die hohe Wärmeleitfähig der metallischen Bronzebindung, da bei dieser ein wesentlich größerer Anteil der erzeugten Wärme aus der Schleifbearbeitung abgeführt werden kann, was gegenüber der Kunstharzbindung zu einer geringeren thermischen Belastung der Schneidelemente führt.

131 Zerspanversuche Ergebnisse Vorschubkraft Ergebnisse beim Schleifen mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 5-9 bis Diagramm 5-12 sind die Verläufe der Vorschubkraft in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente abgebildet. Vorschubkraft F f [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-9: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min

132 110 Zerspanversuche Vorschubkraft F f [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-10: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Vorschubkraft F f [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-11: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min

133 Zerspanversuche 111 Vorschubkraft F f [N] D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-12: Vorschubkraftverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Bei den Zerspanversuchen zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit der Vorschubkräfte von den Schleifbearbeitungsparametern bzw. von den Schleifscheibespezifikationen. Wie beim Verlauf der Schnittkräfte ist beim Einsatz der geschliffenen Schneidelemente ein Kraftanstieg mit zunehmender Schnittzeit zu beobachten. Die Vorschubkraftverläufe weisen wieder nahezu lineare Verläufe auf, sind aber im Vergleich zu den Schnittkraftverläufen entlang der Schnittzeit niedriger. Aus den Diagrammen der Vorschubkraftverläufe der Schneidelemente, die mit der Kunstharzbindung geschliffen wurden, ist festzustellen, dass die Verwendung feiner Diamantschleifscheiben und geringer Zustellung bei der Schleifbearbeitung der Schneidelemente eine Verringerung der Vorschubkraft beim Einsatz verursachen. Schneidelemente, die bessere Schneidkanten bzw. geringere Schartigkeitswerte (siehe Kap. 4.2) aufweisen, zeigen niedrige Vorschubkräfte. Mit Variation der Kornkonzentration sind bei den Vorschubkraftverläufen gleiche Tendenzen wie bei den Schnittkraftverläufen zu sehen. Dabei wurden etwas höhere Vorschubkraftverläufe mit Erhöhung der Kornkonzentra-

134 112 Zerspanversuche tion beim Schleifen ermittelt. Eine Erhöhung der Vorschubkraft ist ein Hinweis auf erhöhten Freiflächenverschleiß an den getesteten Schneidelementen. Ebenso wurden die niedrigsten Vorschubkräfte beim Einsatz der Schneidelemente, die mit niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten bei gleich bleibender Schleifscheibespezifikation und Zustellung geschliffen wurden, erfasst. Die Verwendung der hohen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten im Schleifprozess bewirkten die höchsten Vorschubkräfte. Diese Ergebnisse korrelieren mit denen der Härtemessung (Kap. 4.4) und der röntgenographischen Eigenspannungsmessung (Kap. 4.6), bei denen die Schneidelemente, welche während des Schleifens mit hohen Schnittund Vorschubgeschwindigkeiten sowie mit großer Zustellung und hoher Kornkonzentration unter hohen thermischen Belastungen infolge erhöhter Temperatur stehen, niedrigere Härtewerte und Druckeigenspannungen zeigten Ergebnisse beim Schleifen mit bronzegebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 5-13 bis Diagramm 5-16 sind die Verläufe der Vorschubkraft in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die mit bronzegebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente dargestellt.

135 Zerspanversuche 113 Vorschubkraft F f [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-13: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min Vorschubkraft F f [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-14: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min

136 114 Zerspanversuche Vorschubkraft F f [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-15: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min Vorschubkraft F f [N] D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-16: Vorschubkraftverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min

137 Zerspanversuche 115 Die Vorschubkraft der Schneidelemente, die mit bronzegebundenen Schleifscheiben geschliffen wurden, zeigt im Vergleich zur Schnittkraft qualitativ ähnliche Verläufe, bewegt sich aber in einem niedrigeren Kräftebereich. Ebenso weisen die Vorschubkräfte einen ähnlich stark ansteigenden Verlauf zu Beginn und nachfolgend einen nahezu linearen Verlauf auf. Die Kräfte lassen hier wieder einen etwas unharmonischen Verlauf erkennen, was mit der entstehenden Schneidkantengüte nach dem Schleifen zusammenhängt. Bessere Schneidkanten tendieren zu niedrigeren Prozesskräften bzw. zu geringeren Freiflächenverschleiß und Aufbauschneiden. Beim Schleifprozess wurden mit Variation der Schleifscheibenspezifikationen und Stellgrößen ähnliche Ergebnisse bezüglich der Vorschubkraftverläufe zwischen den mit beiden Bindungsmittel geschliffen Schneidelementen erreicht, welche untereinander lediglich im Kraftniveau zu unterscheiden waren. Der Einsatz der Bronzebindung beim Schleifen der Schneidelemente kann, im Vergleich zum Einsatz der Kunstharzbindung bei weiter gleichen Schleifscheibenspezifikationen und Schleifstellgrößen, eine Erhöhung der Vorschubkraft von bis zu ca. 35 % am Ende der Schnittzeit verursachen. Die Verläufe der Vorschubkraft beim Einsatz der Schneidelemente, die mit der Bronzebindung und mit den Kornkonzentrationen C100 und C150 bei gleich bleibender Stellgröße geschliffen wurden, bleiben während der Schnittzeit in etwa auf dem gleichen Niveau. Dies bedeutet, dass mit der Modifikation der Kornkonzentration beim Schleifen mit metallischer Bindung im Gegensatz zur Verwendung der Kunstharzbindung kaum Einfluss auf die Vorschubkraft beim Einsatz festzustellen ist.

138 116 Zerspanversuche 5.2 Ergebnisse des Verschleißverhaltens In diesem Kapitel werden das Verschleißverhalten der im Zerspanversuch eingesetzten Schneidelemente, die mit verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen sowie Schleifstellgrößen geschliffen wurden, sowie eine optische Beurteilung des Verschleißes an den Schneidelementen dargestellt. Es wurde ein Standzeitende von 22 min, eine Schnittgeschwindigkeit von 157 m/min bei einer Zustellung von 0,030 mm auf den Versuchswerkstoff C45E gewählt Ergebnisse beim Schleifen mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben Von Diagramm 5-17 bis Diagramm 5-20 sind die Verläufe der Verschleißmarkenbreite an der Freifläche der mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit zu sehen. Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl 0, Schnittzeit [min] Diagramm 5-17: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min

139 Zerspanversuche 117 Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-18: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-19: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min

140 118 Zerspanversuche Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 KB C100 a eff1 D46 KB C100 a eff2 D46 KB C150 a eff1 D46 KB C150 a eff2 D91 KB C100 a eff1 D91 KB C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-20: Verschleißverläufe der mit der Kunstharzbindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Die Zerspanversuche zeigen, dass das Verschleißverhalten der geschliffenen Schneidelemente durch die Schleifbearbeitung mit verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen und -parametern erheblich beeinflusst werden kann. Die ermittelten Verschleißverläufe der Schneidelemente korrelieren dort, wo ein nahezu lineares Ansteigen entlang der Schnittzeit zu erkennen ist, sehr stark mit den erfassten Kraftverläufen (Kap. 5.1). Anfänglich liegt das Verschleißniveau der Schneidelemente näher beieinander, geht aber bei fortschreitender Schnittzeit graduell auseinander. Beim höheren Anfangsverschleiß ist der Verschleiß am Standzeitende bedingt durch die beschädigte Schneidkante ausgeprägter. Indikator für den zunehmenden Freiflächenverschleiß ist eine konstante Zunahme der Zerspankräfte in Abhängigkeit von der Schnittzeit. Eine Zunahme der Diamantkorngröße beim Schleifen verursacht eine Zunahme der Verschleißmarkenbreite beim Einsatz der Schneidelemente. Auf gleiche Weise ist mit einer Steigerung der Zustellung beim Schleifen eine Erhöhung der Verschleißmarkenbreite bei den Zerspanversuchen der Schneidelemente zu verzeichnen. Bis zum Auftreten einer Verschleißmarkenbreite von etwa 0,26 mm an der Freifläche der Schneidelemente, wel-

141 Zerspanversuche 119 che mit der feinen Diamantkorngröße bzw. geringen Zustellung sowie niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit geschliffen wurden, lässt sich, im Vergleich zu den Schneidelementen, die mit grober Diamantkorngröße bzw. großer Zustellung und der hohen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit geschliffen wurden, ein etwa 50 %iger Standzeitgewinn erreichen. Der hohe Verschleiß beim Einsatz der mit den groben Schleifscheiben und der großen Zustellung geschliffenen Schneidelemente ist auf die durch die Schleifbearbeitung eingebrachten Schneidkantenschädigungen bzw. thermischen Belastungen zurückzuführen. Die Erhöhung der Kornkonzentration beim Schleifen macht sich auch bei der Betrachtung der Verschleißverläufe der Schneidelemente bemerkbar. Schneidelemente, die mit geringer Kornkonzentration geschliffen wurden, zeigen niedrigere Verscheißmarkenbreiten bei weiter gleichbleibenden Schleifscheibenspezifikationen sowie Stellgrößen. Dies kann durch die höheren thermischen Beanspruchungen der geschliffenen Schneidelemente infolge höherer Temperaturen beim Schleifprozess bei Verwendung höherer Konzentrationen erklärt werden. Mit Variation der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen sind beim Einsatz der Schneidelemente außerdem Veränderungen im Verschleißverhalten erkennbar. Die Verschleißmarkenbreiten der Schneidelemente, welche unter den niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten beim Schleifen bearbeitet wurden, zeigten sich als die niedrigsten. Die höchsten Verschleißmarkenbreiten wurden bei den Schneidelementen ermittelt, die mit hoher Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit sowie gleich bleibender Diamantkorngröße, Kornkonzentration und Zustellung geschliffen wurden. Eine Erhöhung resp. Senkung der Schnittgeschwindigkeit bzw. eine Senkung resp. Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen der Schneidelemente resultieren in ähnlichen Verschleißverläufen bzw. -niveaus. Die Untersuchungen zum Einfluss der Schleifbearbeitung auf die Ausbildung der Oberflächen, Schneidkanten und Randzoneeigenschaften der Schneidelemente haben gezeigt (siehe Kap. 4), dass der Einsatz feinkörniger, kunstharzgebundener Schleifscheiben bzw. geringe Zustellbeträge

142 120 Zerspanversuche zu besseren Oberflächen- und Schneidkantengüten führen. Gleichzeitig haben diese Untersuchungen veranschaulicht, dass das Schleifen mit größeren Zustellbeträgen und höheren Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten niedrigere Druckeigenspannungen bzw. Härte erzeugt. Diese Ergebnisse werden durch das Verschleißverhalten der unterschiedlichen geschliffenen Schneidelemente bestätigt. Abbildung 5-1 und Abbildung 5-2 zeigen Verschleißaufnahmen der Freifläche der Schneidelemente nach einer Schnittzeit von 22 min, die mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben der Körngröße D46, der Kornkonzentration C100 und C150 und bei verschiedenen Stellgrößen geschliffen wurden. Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS 330 µm 330 µm Schleifparameter: D46 KB C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schleifparameter: D46 KB C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Abbildung 5-1: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 KB C100 am Standzeitende

143 Zerspanversuche 121 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS 330 µm 330 µm Schleifparameter: D46 KB C150 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schleifparameter: D46 KB C150 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Abbildung 5-2: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 KB C150 am Standzeitende Aus den dargestellten Freiflächenaufnahmen wird ersichtlich, dass der Verschleiß beim Einsatz der geschliffenen Schneidelemente hauptsächlich durch Abrasion an der Freifläche bzw. Aufbauschneiden auf der Schneidkante hervorgerufen wird. Der Einfluss der Schleifparameter wird anhand der Verschleißaufnahmen der eingesetzten Schneidelemente deutlich sichtbar. Die in den obigen Abbildungen links dargestellten Schneidelemente zeigen im Vergleich zu den rechts abgebildeten Schneidelementen einen ausgeprägten abrasiven Freiflächenverschleiß, welcher ebenfalls zu höheren Zerspankräften führt. Weiterhin zeigt die Betrachtung der Schneidelemente aus beiden Abbildungen, dass der Freiflächenverschleiß von der Kornkonzentration beim Schleifprozess nur geringfügig beeinflusst wird, was ebenso in Diagramm 5-18 und Diagramm 5-19 zu erkennen ist.

144 122 Zerspanversuche In Abbildung 5-3 sind Verschleißaufnahmen von der Freifläche der Schneidelemente, die mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben der Körngröße D91 und der Kornkonzentration C100 sowie bei verschiedenen Stellgrößen geschliffen wurden, am Standzeitende zu sehen. Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS 330 µm 330 µm Schleifparameter: D91 KB C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schleifparameter: D91 KB C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Abbildung 5-3: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D91 KB C100 am Standzeitende In Abbildung 5-3 ist zu erkennen, dass der abrasive Freiflächenverschleiß am Schneidelement, welches mit großer Zustellung und hoher Schnittund Vorschubgeschwindigkeit geschliffen wurde, größer ist als der am Schneidelement, das mit geringer Zustellung und niedriger Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit gefertigt wurde (vgl. Diagramm 5-18 und Diagramm 5-19). Beide dargestellten Schneidelemente zeigen ferner eine Neigung zu Aufbauschneidenbildung. Indikator für einen fortschreitenden Verschleiß an der Freifläche ist eine kontinuierliche Zunahme der Zerspankräfte in Abhängigkeit von der Schnittzeit. Dies wurde anhand der in diesem Kapitel dargestellten Diagramme bestätigt.

145 Zerspanversuche 123 Der Werkzeugverschleiß kann u. a. zu einer Abstumpfung der Schneidengeometrie sowie zu einer Vergrößerung der Reibflächen (Freiflächenverschleiß) führen. Dies bewirkt eine Erhöhung der Prozesskräfte bzw. eine Verringerung der Standzeit Ergebnisse beim Schleifen mit bronzegebundenen Schleifscheiben Diagramm 5-21 bis Diagramm 5-24 stellen die Verläufe der Verschleißmarkenbreite an der Freifläche der Schneidelemente, die mit bronzegebundenen Schleifscheiben geschliffenen wurden, in Abhängigkeit von der Schnittzeit dar. Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-21: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f1 = 60 mm/min

146 124 Zerspanversuche Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-22: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c1 = 30 m/s und v f2 = 120 mm/min Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-23: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f1 = 60 mm/min

147 Zerspanversuche 125 Verschleißmarkenbreite VB max [mm] 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 D46 BZN C100 a eff1 D46 BZN C100 a eff2 D46 BZN C150 a eff1 D46 BZN C150 a eff2 D91 BZN C100 a eff1 D91 BZN C100 a eff2 Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS Schleifparameter: a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schnittzeit [min] Diagramm 5-24: Verschleißverläufe der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente in Abhängigkeit von der Schnittzeit für die Schleifstellgrößen v c2 = 20 m/s und v f2 = 120 mm/min Die mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente zeigen in gleicher Weise einen quasi linearen Anstieg des Verschleißverlaufes mit zunehmender Schnittzeit. Zu Beginn liegt das Verschleißniveau der Schneidelemente nah beieinander, geht aber mit zunehmender Schnittzeit sukzessiv auseinander. Die Verschleißverläufe zeigen hier gleiche Tendenzen wie die der mit Kunstharzbindung hergestellten Schneidelemente. Sie unterscheiden sich lediglich im Niveau. Im Vergleich zu den Zerspankräften ist auch hier mit zunehmender Kraft bei allen eingesetzten Schneidelementen eine Steigerung der Verschleißmarkenbreite festzustellen. Die Verschleißmarkenbreite wird bei den Schneidelementen, die mit den feinen kunstharzgebundenen Schleifscheiben und mit geringer Zustellung geschliffen wurden, am Standzeitende von 22 min erreicht. Bereits nach ca. 12 bis 14 min wird sie von den Schneidelementen erlangt, welche bei gleich weiten Schleifstellgrößen mit den bronzegebundenen Schleifscheiben der gleichen Korngröße sowie mit der gleichen Zustellung hergestellt wurden. Eine Erhöhung der Diamantkörngröße von D46 auf D91 sowie die

148 126 Zerspanversuche Steigerung der Zustellung von 0,06 mm auf 0,3 mm verursacht noch höhere Standzeitverluste, welche sogar über 65 % liegen können. Weiterhin ist aus den Diagrammen zu entnehmen, dass die Verschleißverläufe nach dem Einsatz der Schneidelemente im Gegensatz zur Verwendung kunstharzgebundener Schleifscheiben keinen wesentlichen Einfluss auf die Kornkonzentration beim Schleifen mit bronzegebundenen Schleifscheiben haben. Dies lässt sich auf die geringere thermische Belastung der Schneidelemente beim Einsatz der Bronzebindung beim Schleifen zurückzuführen, da aufgrund dieser metallischen Bindung, welche eine höhere Wärmeleitfähig besitzt, ein größerer Teil der erzeugten Wärme aus der Schleifbearbeitung abgeführt wird. Die Verschleißuntersuchungen bestätigten die bereits in Kap. 4 dargestellten Ergebnisse hinsichtlich des Verschleißverhaltens der geschliffenen Schneidelemente. Die beim Schleifen entstandenen Schädigungen und Belastungen sind für das Verschleißverhalten beim Einsatz der Schneidelemente von großer Bedeutung. Bei den Schneidelementen, die schlechte bzw. beschädigte Schneidkanten zeigen, führt dies insgesamt zu einem beschleunigten Verschleißfortschritt. Das Gleiche gilt für die Schneidelemente, die unter höheren thermischen Belastungen während der Schleifbearbeitung standen. Niedrige Härte und hohe Druckeigenspannungen erhöhen nicht nur den Freiflächenverschleiß, sondern auch die Zerspankräfte beim Einsatz der geschliffenen Schneidelemente. Neben der Beeinflussung der Randzoneneigenschaften der Schneidelemente durch die thermische Beanspruchung bei der Schleifbearbeitung sind auch Veränderungen dieser Eigenschaften aufgrund der thermischen und mechanischen Beanspruchungen der Schneidelemente im Zerspanprozess möglich, aus denen ein frühzeitiges Versagen des Werkzeugs resultierten kann.

149 Zerspanversuche 127 In Abbildung 5-4 und Abbildung 5-5 sind Verschleißaufnahmen der Freifläche der Schneidelemente, welche mit bronzegebundenen Schleifscheiben der Körngröße D46, der Kornkonzentration C100 und C150 und bei verschiedenen Stellgrößen hergestellt wurden, nach einer Schnittzeit von 22 min zu sehen. Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS 330 µm 330 µm Schleifparameter: Schleifparameter: D46 BZN C100 D46 BZN C100 a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schleiföl Abbildung 5-4: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 BZN C100 am Standzeitende Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS 330 µm 330 µm Schleifparameter: Schleifparameter: D46 BZN C150 D46 BZN C150 a eff1 = 0,3 mm a eff2 = 0,06 mm v c1 = 30 m/s v c2 = 20 m/s v f2 = 120 mm/min v f1 = 60 mm/min Schleiföl Schleiföl Abbildung 5-5: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D46 BZN C150 am Standzeitende

150 128 Zerspanversuche Die links in Abbildung 5-4 und Abbildung 5-5 dargestellten Freiflächenaufnahmen zeigen einen stärker ausgeprägten abrasiven Freiflächenverschleiß als die in der rechten Abbildungen. Dies hängt mit dem Ausgangszustand der Schneidkanten nach dem Schleifprozess zusammen (vgl. Abbildung 4-5 bis Abbildung 4-8). Ferner wird Verschleiß auch durch Aufbauschneiden an der Schneidkante hervorgerufen. Folgende Abbildung zeigt im Vergleich Verschleißaufnahmen von der Freifläche der Schneidelemente am Standzeitende, welche mit bronzegebundenen Schleifscheiben der Körngröße D91, der Kornkonzentration C100 bei verschiedenen Stellgrößen hergestellt wurden. Parameter: C45E v c = 157 m/min f Z = 0,030 mm KSS 330 µm 330 µm Schleifparameter: D91 BZN C100 a eff1 = 0,3 mm v c1 = 30 m/s v f2 = 120 mm/min Schleiföl Schleifparameter: D91 BZN C100 a eff2 = 0,06 mm v c2 = 20 m/s v f1 = 60 mm/min Schleiföl Abbildung 5-6: Verschleißaufnahmen von der Freifläche der eingesetzten Schneidelemente der Spezifikation D91 BZN C100 am Standzeitende Abbildung 5-6 lässt einen deutlich größeren abrasiven Verschleiß an der Freifläche der mit groben bronzegebundenen Schleifscheiben hergestellten Schneidelemente erkennen. An den Schneidkanten ist darüber hinaus eine Neigung zur Aufbauschneidenbildung sichtbar. Diese Ergebnisse entsprechen den Resultaten der Schartigkeitsmessung (Kap 4.2). Höheres Verschleißverhalten und höhere Zerspankräfte resultieren aus mangelhaften Schneidkantengüten.

151 Zerspanversuche 129 Eine Gegenüberstellung der Aufnahmen der Schneidelemente im Neuzustand (Abbildung 4-1 bis Abbildung 4-12) mit den Verschleißaufnahmen (Abbildung 5-1 bis Abbildung 5-6) verdeutlicht die großen Beanspruchungen der im Einsatz unter verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen und Schleifparameter geschliffenen Schneidelemente. Schneidelemente, die schlechtere und beschädigte Schneidkanten aufweisen bzw. unter höheren thermischen Belastungen bei der Schleifbearbeitung stehen, zeigen im Einsatz höhere Zerspanungskräfte und höheren Freiflächenverschleiß. Ziel der Schleifbearbeitung muss sein, die Schädigungen und Belastungen an den zu bearbeitenden Werkzeugen möglichst zu vermeiden bzw. gering zu halten, aber gleichzeitig eine ausreichende Formgenauigkeit und Oberflächentopografie zu erzeugen, um den Anforderungen an die Schneidkanten und an die Randzone der Zerspanwerkzeugen genügen zu können. 5.3 Zusammenfassung Zerspanversuche In diesem Kapitel wurden auf der Basis zahlreicher Zerspanversuche die Einflüsse der unterschiedlichen Schleifscheibenspezifikationen Korngröße, Bindungsmittel und Kornkonzentration sowie der Schleifstellgrößen Zustellung, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit auf das Kraft- und Verschleißverhalten der Hartmetall-Schneidelemente im Einsatz ermittelt. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die verwendeten Schleifscheibenspezifikationen und Schleifstellgrößen erheblichen Einfluss auf die Prozesskräfte beim Einsatz der geschliffenen Schneidelemente haben. Sowohl die Schnittkräfte als auch die Vorschubkräfte zeigten einen zunehmenden nahezu linearen Verlauf entlang der Schnittzeit, während die Schnittkräfte größer als die Vorschubkräfte waren. Die Zerspanversuche der Schneidelemente, welche mit kunstharz- und bronzegebundenen Schleifscheiben verschiedener Korngrößen und Kornkonzentrationen sowie mit verschiedenen Zustellungen, Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten hergestellt wurden, zeigten ähnliche Kraftverläufe. Niedrigere Schnitt- und Vorschubkräfte wurden beim Einsatz der

152 130 Zerspanversuche Schneidelemente, welche mit den feinen Diamantschleifscheiben sowie mit geringer Zustellung bei beiden Bindungsmitteln geschliffen wurden, erfasst. Ebenso war eine Abnahme der Prozesskräfte beim Schleifen mit den niedrigen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten festzustellen. Durch die Variation der Kornkonzentration beim Schleifen werden die Kraftverläufe bzw. das Kraftniveau einerseits beim Einsatz der mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben geschliffenen Schneidelemente nur geringfügig beeinflusst, andererseits beim Einsatz der mit bronzegebundenen Schleifscheiben hergestellten Schneidelemente kaum beeinflusst. Am Standzeitende können die Schnittkräfte beim Einsatz der mit der Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente bis zu 43 % höher liegen als die der beim Einsatz mit der Kunstharzbindung gefertigten Schneidelemente, was ein Standzeitunterschied von etwa 62 % bedeutet. Ferner zeigte ein Vergleich der Vorschubkraftverläufe zwischen den mit beiden Bindungsmitteln geschliffenen Schneidelementen, dass die Differenz im Kraftniveau am Standzeitende bis zu 48 % erreichen kann, was einer Differenz von ca. 66 % im Zerspaneinsatz entspricht. Weiterhin hing die Differenz der Zerspankräfte zwischen den mit verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen und Schleifparametern hergestellten Schneidelementen mit den in Kap. 4 dargestellten Ergebnissen zusammen. Schlechtere Schneidkantengüten und höhere thermisch beeinflusste Randzonen der geschliffenen Schneidelemente führen zu erhöhten Zerspankraftverläufen. Zusammenfassend ist darüber hinaus festzustellen, dass das Verschleißverhalten der geschliffenen Schneidelemente von den verschiedenen Schleifscheibenspezifikationen und Schleifstellgrößen erheblich beeinflusst werden kann. Bei allen eingesetzten Schneidelementen war ein nahezu linearer Anstieg der Verschleißverläufe mit zunehmender Schnittzeit zu verifizieren. Schneidelemente, die größere Zerspankräfte aufwiesen, zeigten ebenso größere Verschleißmarkenbreiten. Wie in der Untersuchung der Prozesskräfte wurden zudem erhebliche Unterschiede im Verschleißverhalten der eingesetzten geschliffenen

153 Zerspanversuche 131 Schneidelemente ermittelt. Mit Reduzierung der Diamantkorngröße und Senkung der Zustellung beim Schleifen war eine geringere Verschleißmarkenbreite beim Einsatz der Schneidelemente zu erkennen. Im Gegensatz zur Verwendung der Kunstharzbindung beim Schleifen der Schneidelemente hatte die Variation der Kornkonzentration keinen wesentlichen Einfluss auf die Verschleißverläufe der mit Bronzebindung geschliffenen Schneidelemente. Weiterhin verursachte die Erhöhung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit beim Schleifen eine Zunahme der Verschleißmarkenbreite bei den Zerspanversuchen. Schneidelemente, die mit kunstharzgebundenen Schleifscheiben gefertigt wurden, wiesen bis zu 47 % niedrigere Verschleißmarkenbreite auf, als Schneidelemente, welche mit bronzegebundenen Schleifscheiben hergestellt wurden. Dies entspricht in etwa einem Standzeitunterschied von bis zu 63 %. Durch die Betrachtung der Verschleißaufnahmen der eingesetzten Schneidelemente wurde ersichtlich, dass die Art des Verschleißes hauptsächlich durch abrasiven Verschleiß an der Freifläche und Aufbauschneiden auf der Schneidkante der Schneidelemente hervorgerufen wurde. Schneidelemente, die größere Zerspankräfte aufwiesen, zeigten einen größer ausgeprägten Freiflächenverschleiß. Die Verschleißuntersuchungen korrelierten mit den in Kap. 4 dargestellten Ergebnissen. Schneidelemente, die schlechte bzw. beschädigte Schneidkanten aufwiesen und beim Schleifprozess aufgrund der gewählten Schleifscheibenspezifikationen bzw. Schleifstellgrößen unter höheren thermischen Belastungen standen, zeigten einen höheren Freiflächenverschleiß in den Zerspanversuchen.

154 132 Simulation der Spanbildung 6 Simulation der Spanbildung In diesem Kapitel erfolgt erst eine Betrachtung der im Kap. 5 eingesetzten Schneidelemente bezüglich der auftretenden Belastung bzw. wirkenden Spannung an den Schneiden. Nachfolgend soll eine Simulation des Spanbildungsprozesses erfolgen. Hierzu wird die Finite-Elemente-Methode als Hilfsmittel herangezogen. 6.1 Spannungsverteilung Abbildung 6-1 zeigt einen Schnittlast- bzw. eine Spannungsverlauf für das Schneidelement. Die Schnittlasten sind gleich hoch, aber die Spannungen verlaufen im Bauteil (am Schneidelement) wie in der Zeichnung dargestellt. Die höheren wirkenden Beanspruchungen (Spannungen) werden an den Stellen im Übergangsbereich zwischen Haupt- und Nebenschneide ersichtlich. Gleichwohl kommt es zu einer Spannungskonzentration an unstetigen Übergängen. Diese höhere konzentrierte Spannung verursacht einen höheren Verschleiß an dieser Stelle. Schnittlast Spannung Abbildung 6-1: Schnittlast- bzw. Spannungsverteilung am Schneidelement

155 Simulation der Spanbildung 133 Die Belastungen beanspruchen den Schneidkeil inhomogen wie in Abbildung 6-1 dargestellt. Aus den Abmessungen des Querschnitts und den Belastungen lassen sich die Beanspruchungen, auch Spannungen genannt, berechnen. Der Begriff Spannung beschreibt eine flächenbezogene Kraft im Körper. Es wird deutlich, dass eine kleiner werdende Fläche bei gleicher Kraft eine höhere Spannung ergibt. Stellt man die Gleichung (Gl. 5) nach der Kraft F um, wird diese mit Spannung σ mal der Fläche angegeben. Somit müssten die Kräfte bei den Werkzeugen am größten sein, bei denen die größten Spannungen auftreten. F σ = (5) A Nach Theorie von Hertz können die wirkenden Kräfte über Wirkflächen übertragen und berechnet werden, nachdem sich die Kräfte auf der Wirkfläche zu Druckspannungen (auch Flächenpressung genannt) verteilt haben. Man nennt dies auch Hertz sche Pressung (Abbildung 6-2). Wirkfläche Abbildung 6-2: Flächenpressung gewölbter Wirkflächen /39/ Herz beschreibt, dass bei einer Pressung von zwei Körpern mit krummen Oberflächen ein Spannungs- und Verformungszustand entsteht, der mit Nährungen auch theoretisch gelöst werden kann. Dieser Zustand ergibt sich zum Beispiel auch in den durchgeführten Zerspanversuchen mit Schneidelementen in verschlissenem Zustand. Die Schneidelemente habe angenähert als Schneidenform eine kreisbogenförmige Kontur (also eine Krümmung) und dringen auf ein ebenfalls gekrümmtes, rundes Material (Versuchswelle) ein. Werden zwei elastische Körper mit gewölbten Oberflächen gegeneinander gepresst, so platten beide Körper an der Berüh-

156 134 Simulation der Spanbildung rungsstelle ab. Dabei interessiert zur Bestimmung der exakten Spannungsverteilung normalerweise nur die Spannungsverteilung in direkter Nähe der Druckstelle zwischen den beiden Körpern, weil die Spannungen bei weiterer Entfernung vom Druckpunkt schnell geringer werden. Dadurch ist eine ausreichend genaue Annäherung der Körperoberflächen durch allgemeine Paraboloide mit gleichen Hauptkrümmungsradien möglich (Abbildung 6-3). Die Projektion der Druckfigur auf eine Ebene wird dadurch eine Ellipse (Abbildung 6-4). Hier wurden die x- und y-achse des kartesischen Koordinatensystems in die Hauptachsen der Druckellipse gelegt. Somit weist die z-achse senkrecht zur Druckfigur. In Abbildung 6-3 rechts ist der Spannungszustand in einem beliebigen Punkt dargestellt. Grundsätzlich ist nur die Spannungsverteilung in unmittelbarer Nähe der Druckstelle von Interesse, da mit zunehmender Entfernung von der Druckellipse eine schnelle Abnahme der Spannungen in x- und y-richtung erfolgt. Abbildung 6-3: Geometrie der berührenden Körper /39/

157 Simulation der Spanbildung 135 Abbildung 6-4: Projektion der Druckfigur auf eine Ebene senkrecht zur z-achse /39/ In Abbildung 6-5 sind zwei gekrümmte Körper mit den Radien r 1 und r 2 dargestellt. Auf bzw. von beiden Körpern wird eine Kraft F übertragen, wodurch in z-ebene über eine Druckfläche 2a eine maximale Flächenpressung p max entsteht. Abbildung 6-5: Form der entstandenen Druckfigur bei der Wirkung der Kraft F /39/ Wie in der Abbildung zu sehen ist, stellt sich im Bereich des Druckpunktes bei der maximalen Flächenpressung eine Plättung des unteren Körpers ein. Die Form verändert sich von der gestrichelten Linie (entspricht dem Radius) hin zur gewölbten Linie.

158 136 Simulation der Spanbildung Die Projektion der Druckfigur auf eine Ebene senkrecht zur Z-Achse ist ein Kreis mit Druckflächenradius a nach Hertz: 3 4 ( 1 ² ) E E r1 r2 1 2 a = 3 ν F (6) Und die maximale Flächenpressung p max auf der Oberfläche (z = 0) und x = y = 0, p max = -σ z (z = 0): p max = π ³ 1 1 6F + r r ( 1 ν ² ) 2 1 E E2 (7) wobei: r 1 = Krümmungsradius Körper 1 r 2 = Krümmungsradius Körper 2 E 1 = Elastizitätsmodul Körper 1 E 2 = Elastizitätsmodul Körper 2 ν = Querzahl F = Anpresskraft Nach Betrachtung der Form der entstandenen Figur des Schneidelements bei den Zerspanversuchen tritt eine günstigere Spannungsverteilung an den Schneiden in kreisbogenförmiger Form (Abbildung 6-5), also im verschlissenem Zustand, auf, als an den Schneiden im Neuzustand (Abbildung 6-1). Die wirkenden Belastungen verteilen sich gleichmäßiger auf

159 Simulation der Spanbildung 137 eine Schneide mit Kontur im Endzustand, wohingegen sie bei einer neuen Schneide eher an einer Stelle punktuell angreifen. 6.2 Simulation Es sind einige Anforderungen einer Simulation erforderlich, um Zerspanprozesse lösungsgenau zu diskretisieren: Die physikalischen Zusammenhänge zu berücksichtigen, die Spansegmentierung zu modellieren, Implementierung der Kinematik für verschiedene Bearbeitungsprozesse, Simulation der Materialauftrennung und Spanbildung, hohe Deformations- und Temperaturgradienten in der Scherzone (feine Diskretisierung) und zerspanspezifisches Werkstoffverhalten. Neben der Berücksichtigung und Implementierung der physikalischen Zusammenhänge durch geeignete Modellierungsansätze sollte für die Realisierung einer Zerspansimulation jede beliebige Kinematik modellierbar sein. Damit ist gewährleistet, dass eine breite Palette der verschiedenen Bearbeitungsprozesse abgebildet werden kann. Diese kann von einfachen zweidimensionalen bis zur dreidimensionalen komplexen Simulationen reichen. Bei der Zerspanung handelt es sich größtenteils um einen Materialauftrennungsmechanismus. In anderen Untersuchungen wird das Verhalten des Werkstückstoffs als ideal duktil angenommen, so dass es sich bei der Zerspanung um einen reinen Umformungsprozess handelt /35/, /55/. Für die Simulation der Spanbildung kam die FEM-Software MSC.SuperForm zum Einsatz, welche hauptsächlich im Bereich der Massivumformung eingesetzt wird. Im Programm MSC.SuperForm und anderen FEM-Simulationsprogrammen gibt es eine Vielzahl an möglichen Einstellparametern, die sich auf die numerischen Lösungen mehr oder weniger auswirken können. Nachfolgend werden die Parameter auch numerische Parameter genannt.

160 138 Simulation der Spanbildung In MSC.SuperForm besteht die Möglichkeit, die Materialeigenschaften per Materialdatenbank einzulesen, oder per Gleichung zu definieren. Das Problem der Materialdatenbank ist, dass für das Zerspanen nicht die ausreichende Anzahl der Fließkurven hinterlegt sind. Somit empfiehlt es sich hier eine Materialbeschreibung per Gleichung vorzunehmen. Für die Beschreibung des Werkstückmaterials fiel die Entscheidung wie im realen Versuch auf C45E mit der Materialgleichungsbeschreibung nach Johnson-Cook. m T T σ = A & 1 (8) n ( + B ε ) 1+ C ln( ε ) ( ) Umgebung TSchmelz TUmgebung Hierin ist T die Werkstücktemperatur und A, B, C, m sowie n sind Werkstoffkonstanten, die durch den Iterationsprozess nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate angepasst werden /49/. Das Gesamtmodell zur Spanbildungssimulation ist modular aufgebaut. Schneidelement und Werkstück bilden je ein separates Modell und werden erst zur eigentlichen Berechnung zusammengefügt. Als Modell des Schneidelements wurde eine Geometrie ohne Nebenschneiden genommen, d. h. es wurde nur im Bereich der Hauptschneide simuliert.

161 Simulation der Spanbildung 139 Abbildung 6-6 zeigt eine dreidimensionale Simulation des Zerspanvorgangs mit den Werten der Spannung im Material (Werkstück). Span Spanfläche Werkstück Freifläche Abbildung 6-6: Simulation der Spannung im Werkstück Abbildung 6-6 zeigt eine Fließspanbildung bei der Zerspansimulation. In der primären Scherzone (vgl. Abbildung 2-1), bei welcher von der Spanfläche eine Stauchwirkung ausgeht, entstehen Fließspäne durch überwiegend plastische Scherverformung ohne Rissbildung. Diese Stauchwirkung schiebt den im Bereich der Spanungsdicke liegende Werkstoff in die freie Richtung der Spanfläche, wodurch der Werkstoff durch Scherung in einer Zone maximaler Belastung abgleitet. Die Reibung beeinflusst das Gleiten auf der Spanfläche. Nun ist die Stauchphase unmittelbar von der Wech-

162 140 Simulation der Spanbildung selwirkung auf der Spanfläche und des Gleitgeschehens in der Scherzone abhängig. Verantwortlich für die verschiedenen Erscheinungsformen der Spanentstehung ist die Wechselwirkung von Scherung und Reibung in Verbindung mit den mechanischen Werkstoffeigenschaften. Anhand der in Abbildung 6-6 dargestellten Simulation wird ersichtlich, dass die höchsten Spannungen (-2700 N/mm²) im Werkstück im Bereich des Abtrennens des Spans auftreten. Der Spannungswert hat ein negatives Vorzeichen, da vorwiegend Druckspannungen bei der Zerspanung bzw. Materialtrennung vorkommen. Folgende Abbildung zeigt eine dreidimensionale Simulation des Zerspanvorgangs mit den Spannungswerten am Werkzeug. Abbildung 6-7: Simulation der Spannung am Werkzeug

163 Simulation der Spanbildung 141 Die Simulation zeigt, dass höhere Spannungen am Schneidelement im Bereich der Schneidkante auftreten. Die höchsten Spannungswerte treten in den äußeren Seiten der Schneidkante auf, also äquivalent an der Stelle im Übergangsbereich zwischen Haupt- und Nebenschneide im realen Werkzeug. Die Simulation der Spannung am Schneidelement stimmt mit der Darstellung des Schnittlastverlaufs für das Schneidelement (Abbildung 6-1) überein, wo die höher wirkenden Spannungen bzw. Belastungen an den Seiten der Schneidkante auftreten. Diese konzentrierte Belastung an dieser Stelle der Schneide hat eine Modifikation der ursprünglichen Schneide zur Folge, was eine höhere Verschleißentstehung während des Zerspanprozesses bewirkt. Über die Fließgeschwindigkeit kann die Scherebene sichtbar gemacht werden. Anhand Abbildung 6-8 und Abbildung 6-9 ist durch die Simulation die Scherebene im Zerspanprozess dargestellt. Abbildung 6-8: Simulation Scherebene