High-speed broaching of hardened steel
Final Report Abstract
Den Untersuchungen zum Hart-Räumen wurden Schneidstoffbetrachtungen im Analogieprozess "Drehen im unterbrochenen Schnitt" vorangestellt. Dabei erweist sich das polykristalline kubische Bornitrid (PcBN) als überdurchschnittlich geeignet für die Bearbeitung im Trockenschnitt. Bezüglich der Untersuchungen zum Prozessverhalten unterschiedlicher PcBN-Spezifikationen wurde ein modulares Werkzeugkonzept zum Hart-Räumen entwickelt, welches die Verwendung konventionell erhältlicher Schneidplatten ermöglicht. Die Versuchsergebnisse zeigen eine ansteigende Verschleißfestigkeit und Schnittkraft für Spezifikationen mit hohem PcBN-Gehalt. Trotz der sehr hohen Spanungsdicke (h = 0,09 mm) und Schnittgeschwindigkeit (vc = 90 m/min), können Standwege bis lc = 150 m und mehr erreicht werden. Jedoch schwanken die Standwegergebnisse im Bereich von +50 %, infolge eines spontan auftretenden Versagens der Schneiden, so dass die Prozesssicherheit stark eingeschränkt ist. Durch eine Reduzierung der Spanungsdicke kann keine signifikante Änderung des Verschleißverhaltens erzielt werden. Bezüglich der Schneidkeilwinkel erweisen sich Spanwinkel im stark negativen Bereich zwischen y = - 25°..-30° als besonders geeignet, kleinere Winkel führen infolge ansteigender Schnittnormalkräfte zum Plattenbruch, größere Winkel vermindern die Schneidkantenstabilität, was vermehrt zu Ausbrüchen führt. Je nach Spanungsdicke können Rauheitswerte von Rz = 1-4 |jm, unabhängig vom Spanwinkel und der Schnittgeschwindigkeit, erreicht werden. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit (vc = 60...90 m/min) wird aufgrund des "stärkeren" Eintrittsstoßes ein Rückgang des Standwegs von 50 % beobachtet. Gleichzeitig nehmen die Zerspankräfte um 20 % ab. Bei der Bestimmung der spezifischen Zerspankraft wurden stark erhöhte Kraftwerte gegenüber der Weichbearbeitung festgestellt. Dabei wird ein dominierender Einfluss der Schnittnormalkraft deutlich, welcher mit zunehmender Werkstückhärte stark ansteigt. Bezüglich der Randzonenbeeinflussung des Werkstücks kann bei den untersuchten Prozessparametern die Bildung der so genannten "Weißen Schichten" ausgeschlossen werden. Eine Gefüge- bzw. Härtebeeinflussung im Randschichtbereich ist nicht festzustellen. Durch die hohen Zerspankräfte wird insbesondere bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten beim Schneidenaustritt Werkstückmaterial ausgebrochen. Die Reduzierung der Spanungsdicke kann die Stärke der Ausbrüche vermindern, jedoch nicht vollständig vermeiden. Bei der Verzahnungsnachbearbeitung konnte der Härteverzug des Werkstücks um zwei Toleranzklassen verbessert und die Rauheit deutlich reduziert werden. Dabei wurde das zerspanungstechnologische Potenzial des PcBN aufgezeigt, mit nur einer Werkzeugschneide einen vollständigen Profilschnitt durchzuführen; beim konventionellen Hart-Räumen mit Hartmetallwerkzeugen sind für dieselbe Zerspanoperation mindestens 8-10 Schneiden erforderlich, dementsprechend weist das Werkzeug die 8-10-fache Länge auf. Beim Hart-Räumen mit PcBN besteht in erster Linie die Notwendigkeit das Standwegverhalten der Schneiden eventuell durch eine Dämpfung des Eintrittsstoßes anzugleichen bzw. zu optimieren. Des Weiteren stellt sich aufgrund der Inkonsistenz des Grundträgers und des Schneidstoffs die Frage nach einem Werkzeugkonzept für den Serieneinsatz. Die könnte durch ein innovatives modulares Konzept durch Klemmung oder Auflöten von Schneidstoffträgern erfolgen die anschließend im Verbund mit dem Grundträger durch Formschleifen konditioniert werden. Eine interessante Alternative bietet auch die Beschichtung von Hartmetall-Räumwerkzeugen mit PcBN. So könnte auf die bestehende Werkzeugtechnologie zurückgegriffen werden und gleichzeitig der Vorteil des PcBNSchneidstoffs genutzt werden.
Publications
- Schmidt, J; Lang, H.: "Harträumen stößt mit CBN in neue Dimensionen vor". Werkstatt und Betrieb; Ausgabe 9 September 2003/136. Jahrgang; Seite 50-52.
- Weule, H.; Fleischer, J.; Schmidt, J.; Lang, H.: High Performance Broaching. Erschienen in: Production Engineering Vol. XII/1 2005, S. 143-146
