MB137 Zerspanen Von Stahl

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<p>Merkblatt 137 Zerspanen von Stahl</p> <p>Stahl-Informations-Zentrum</p> <p>Merkblatt 137</p> <p>Stahl-Informations-ZentrumDas Stahl-Informations-Zentrum ist eine Gemeinschaftsorganisation Stahl erzeugender und verarbeitender Unternehmen. Markt- und anwendungsorientiert werden firmenneutrale Informationen ber Verarbeitung und Einsatz des Werkstoffs Stahl bereitgestellt. Verschiedene Schriftenreihen bieten ein breites Spektrum praxisnaher Hinweise fr Konstrukteure, Entwickler, Planer und Verarbeiter von Stahl. Sie finden auch Anwendung in Ausbildung und Lehre. Vortragsveranstaltungen schaffen ein Forum fr Erfahrungsberichte aus der Praxis. Messebeteiligungen und Ausstellungen dienen der Prsentation neuer Werkstoffentwicklungen sowie innovativer, zukunftsweisender Stahlanwendungen. Als individueller Service werden auch Kontakte zu Instituten, Fachverbnden und Spezialisten aus Forschung und Industrie vermittelt. Die Pressearbeit richtet sich an Fach-, Tages- und Wirtschaftsmedien und informiert kontinuierlich ber neue Werkstoffentwicklungen und -anwendungen. Das Stahl-Informations-Zentrum zeichnet besonders innovative Anwendungen mit dem StahlInnovationspreis aus. Er ist einer der bedeutendsten Wettbewerbe seiner Art und wird alle drei Jahre ausgelobt (www.stahlinnovationspreis.de). Die Internet-Prsentation (www.stahl-info.de) informiert u. a. ber aktuelle Themen und Veranstaltungen und bietet einen berblick ber die Verffentlichungen des Stahl-InformationsZentrums. Schriftenbestellungen sowie Kontaktaufnahme sind online mglich.</p> <p>ImpressumMerkblatt 137 Zerspanen von Stahl Ausgabe 2008 ISSN 0175-2006 Herausgeber: Stahl-Informations-Zentrum Postfach 10 48 42 40039 Dsseldorf Autoren: Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Fritz Klocke, Dr.-Ing. Klaus Gerschwiler Lehrstuhl fr Technologie der Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen 52074 Aachen Redaktion: Stahl-Informations-Zentrum Die dieser Verffentlichung zugrunde liegenden Informationen wurden mit grter Sorgfalt recherchiert und redaktionell bearbeitet. Eine Haftung ist jedoch ausgeschlossen. Ein Nachdruck auch auszugsweise ist nur mit schriftlicher Genehmigung des Herausgebers und bei deutlicher Quellenangabe gestattet.</p> <p>Mitglieder des Stahl-Informations-Zentrums: AG der Dillinger Httenwerke ArcelorMittal Bremen GmbH ArcelorMittal Commercial RPS S..r.l. ArcelorMittal Duisburg GmbH ArcelorMittal Eisenhttenstadt GmbH Benteler Stahl/Rohr GmbH Gebr. Meiser GmbH Georgsmarienhtte GmbH Rasselstein GmbH Remscheider Walz- und Hammerwerke Bllinghaus GmbH &amp; Co. KG Saarstahl AG Salzgitter AG Stahl und Technologie ThyssenKrupp Electrical Steel GmbH ThyssenKrupp GfT Bautechnik GmbH ThyssenKrupp Steel AG ThyssenKrupp VDM GmbH Wickeder Westfalenstahl GmbH</p> <p>Titelbild: Plandrehen Foto: Seco Tools GmbH</p> <p>2</p> <p>Zerspanen von Stahl</p> <p>Inhalt1 1.1 1.2</p> <p>1.3</p> <p>Seite Allgemeine Grundlagen ................. 4 Spanbildungsvorgang ....................... 4 Schneidteilgeometrie und ihr Einfluss auf den Zerspanvorgang .. 4 Verschlei am Schneidteil .................. 6 Schneidstoffe zur Stahlzerspanung .......... 8 Schnellarbeitsstahl ...... 8 Klassifizierung der harten Schneidstoffe ... 9 Hartmetalle ................. 11 WC-Co-Hartmetalle ..... 11 WC-(Ti,Ta,Nb)C-CoHartmetalle ................. 12 TiC/TiN-Co,NiHartmetalle (Cermets) . 12 Beschichtete Hartmetalle .................. 12 Schneidkeramik .......... 13 Polykristallines kubisches Bornitrid .... 13 Zerspanbarkeit der Stahlwerkstoffe ........... 14 Bewertungsgren der Zerspanbarkeit ...... 14 Standzeit ..................... 14 Zerspankraft ............... 14 Oberflchengte ......... 15 Spanbildung ................ 16 Beeinflussung der Zerspanbarkeit ............ 17 Kohlenstoff ................. 17 Legierungselemente und ihr Einfluss auf die Zerspanbarkeit ...... 18 Wrmebehandlung ...... 19</p> <p>3.3</p> <p>3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.5 3.3.6 3.3.7 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.2.1 4.1.2.2 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.2.1 4.2.2.2 4.2.2.3 4.2.2.4 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.2.1</p> <p>Seite Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe ........... 20 Automatensthle ......... 21 Einsatzsthle ............... 21 Vergtungssthle ........ 21 Nitriersthle ................ 21 Werkzeugsthle .......... 22 Nichtrostende Sthle .. 22 Gehrtete Sthle ......... 23</p> <p>5 5.1 5.2</p> <p>5.3 6</p> <p>Seite HochleistungsZerspanprozesse ......... 32 Trockenbearbeitung ... 32 Hochleistungs-/ Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ......... 34 Hartdrehen ................. 37 Anhang: Verfahrensabhngige Richtwerte .................. 40 Drehen ........................ 40 Frsen ......................... 41 Messerkopfstirnfrsen . 41 Schaftfrsen ................ 41 Bohren ........................ 44 Bohren mit Spiralbohrern .............. 44 Bohren mit HM-Wendeschneidplattenbohrern ............ 48 Literatur ...................... 48</p> <p>2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.5</p> <p>3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.2.2</p> <p>3.2.3</p> <p>Zerspanverfahren ....... 24 Drehen ........................ 24 Allgemeines ................ 24 Verfahrensvarianten ... 24 Runddrehen ................ 24 Plandrehen ................. 24 Frsen ......................... 24 Allgemeines ................ 24 Verfahrensvarianten .... 26 Stirnfrsen .................. 26 Umfangsfrsen ............ 26 Schaftfrsen ................ 27 Profilfrsen ................. 27 Bohren ........................ 27 Allgemeines ................ 27 Verfahrensvarianten ... 27 Bohren mit Spiralbohrern .............. 27 4.3.2.2 Bohren mit Wendeschneidplattenbohrern ............ 28 4.3.2.3 Tiefbohren .................. 29 4.4 Hobeln, Stoen ........... 30 4.5 Feinbearbeitung .......... 30 4.5.1 Reiben ......................... 30 4.5.2 Feinbohren ................. 31 4.6 Gewindeherstellung ... 31 4.6.1 Gewindedrehen .......... 31 4.6.2 Gewindebohren .......... 31 4.6.3 Gewindefrsen ............ 31 4.6.4 Gewindeformen .......... 31</p> <p>6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.3.1 6.3.2</p> <p>7</p> <p>3</p> <p>Merkblatt 137</p> <p>1 Allgemeine GrundlagenZum besseren Verstndnis der technologischen Zusammenhnge werden zunchst am Beispiel des Drehverfahrens die Grundbegriffe der Zerspanung hinsichtlich Spanbildung, Schneidteilgeometrie und Werkzeugverschlei erlutert. Sie lassen sich jedoch auf andere Zerspanverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide bertragen.</p> <p>1.1 SpanbildungsvorgangWhrend des Spanbildungsvorgangs dringt die Werkzeugschneide in den Werkstoff ein, der dadurch elastisch und plastisch verformt wird. Die Spanbildung erfolgt nach berschreiten einer maximalen, werkstoffabhngigen Schubspannung in der Scherebene. Dieser Vorgang ist in Abb. 1 schematisch (links) und anhand einer Spanwurzelaufnahme (rechts) dargestellt.</p> <p>Die Werkstofftrennung geht nach entsprechender Verformung in der Scherzone vor sich. Je nach Verformungsfhigkeit des Werkstoffs erfolgt sie bereits nach geringer Verformung in der Scherebene (sprde Werkstoffe) oder erst nach starker Verformung vor der Schneidkante im Bereich 3 (duktile Werkstoffe). Das fhrt zur Bildung verschiedener Spanarten (Abb. 2). Der Fliespan (1) entsteht bei der Zerspanung eines duktilen Werkstoffs, der nach kontinuierlicher Scherverformung als gleichfrmiger Span ber die Spanflche des Werkzeugs abluft. Der Lamellenspan (2) entsteht bei ungleichmigem Gefge oder Schwankungen der Spanungsdicke (Schwingungserscheinungen im Prozess). Scherspne (3) bestehen aus Spanteilen, die in der Scherebene getrennt werden und wieder zusammenschweien. Sie entstehen bei der Bearbeitung von Werkstof-</p> <p>fen mit geringer Verformungsfhigkeit. Eine weitere Ursache knnen auch Versprdungen sein, die z. B. durch Verformung im Werkstoffgefge hervorgerufen werden.</p> <p>1.2 Schneidteilgeometrie und ihr Einfluss auf den ZerspanvorgangBei allen spanabhebenden Fertigungsverfahren werden die Prozesskenngren wie Spanbildung und Spanablauf, Zerspankraft, Werkzeugverschlei sowie die Oberflchengte wesentlich durch die Schneidteilgeometrie beeinflusst. Die im Folgenden dargestellten Begriffe und Bezeichnungen zur Beschreibung der Schneidteilgeometrie sind an die Norm DIN 6581 und DIN 6582 angelehnt. Die Definitionen werden am Beispiel des Drehmeiels erlutert, lassen sich aber auf alle Verfahren mit definierter Schneide bertra-</p> <p>Struktur im Werkstck</p> <p>vc</p> <p>Scherebene Struktur im Span Scherzone 0,1 mm</p> <p>5 1 3 4Freiflche</p> <p>2</p> <p>vch</p> <p>Spanflche</p> <p>Schnittflche</p> <p>Drehmeiel</p> <p>DrehmeielSchnittflche</p> <p>1 2 3 4 5</p> <p>primre Scherzone sekundre Scherzone an der Spanflche sekundre Scherzone an der Stau- und Trennzone sekundre Scherzone an der Freiflche Verformungsvorlaufzone</p> <p>Werkstoff: Schneidstoff: Schnittgeschwindigkeit: Spanungsquerschnitt:</p> <p>C53E HW-P30 vc = 100 m/min ap f = 2 0,315 mm2</p> <p>Abb. 1: Wirkzonen bei der Spanentstehung (nach [65])</p> <p>4</p> <p>Zerspanen von Stahl</p> <p>1 Fliespan Abb. 2: Spanarten bei der Stahlzerspanung [64]</p> <p>2 Lamellenspan</p> <p>3 Scherspan</p> <p>gen. Komplexere Werkzeuge wie Bohrer und Frser bentigen weitere Gren, die in den Kapiteln ber die jeweiligen Verfahren beschrieben werden. Abb. 3 erlutert die an einem Drehmeiel definierten Flchen, Schneiden, Fasen und die Schneidenecke. Hinsichtlich der Werkzeugschneiden unterscheidet man die in Vorschubrichtung weisende Hauptschneide und die Nebenschneide. Die bergangsstelle zwischen den beiden Schneiden wird als Schneidenecke definiert, die im Allgemeinen einen Radius aufweist. Die Schneidteilgeometrie wird durch die Winkel der Flchen zueinander und zur Schnittflche am Werkstck festgelegt. Je nach Zerspanungsaufgabe whlt man zur Erzielung optimaler Arbeitsergebnisse sehr unterschiedliche Schneidteilgeometrien. Diese hngen in erster Linie ab von Werkstoff, Schneidstoff, Schnittbedingungen und Werkstckgeometrie. Im Folgenden wird der Einfluss der einzelnen Winkel auf den Zerspanvorgang erlutert. Frei-, Keil- und Spanwinkel ergnzen sich zu 90 (Abb. 4): 0 + 0 + 0 = 90</p> <p>Wird der Freiwinkel 0 kleiner, so nimmt der Freiflchenverschlei (siehe Kapitel 1.3) zu, weil infolge der zunehmenden Reibung zwischen Freiflche und Werkstck verstrkt Pressschweiungen auftreten. Mit zunehmendem Spanwinkel bzw. Freiwinkel wird der Keilwinkel kleiner und somit erhht sich die Gefahr, dass die Schneidkante ausbricht. Der Keilwinkel 0 ist der Winkel zwischen der Hauptfreiflche und der Spanflche. Ein positiver Spanwinkel 0 begnstigt den Spanablauf, fhrt jedoch hufig zu ungengender Spanbrechung (Fliespan). Vorteile sind die geringeren Zerspankrfte sowie in den meisten Fllen eine Verbesserung der Werkstckoberflche. Stark positive Spanwinkel knnen jedoch durch eine Schwchung des Schneidteils zu</p> <p>frhzeitigem Werkzeugbruch fhren. Negative Spanwinkel erhhen die Schneidenstabilitt, rufen jedoch durch die starke Verformung des ablaufenden Spans und die hohen Schnittkrfte eine starke Temperaturbelastung des Schneidteils hervor. Dadurch entsteht erhhter Kolkverschlei, der zu niedrigeren Werkzeugstandzeiten fhren kann. Der Eckenwinkel r (Abb. 4) ist der Winkel zwischen Hauptund Nebenschneide. Ein mglichst groer Eckenwinkel trgt zur hohen Werkzeugstabilitt bei. Da die Lage der Hauptschneide vorgegeben ist und der Winkel zwischen Nebenschneide und Vorschubrichtung zur Vermeidung eines Nachschabens der Nebenschneide mindestens 2 betragen soll, ist der maximale Eckenwinkel begrenzt.</p> <p>SchnittrichtungWerkzeugschaft</p> <p>Spanflche A </p> <p>Vorschubrichtung</p> <p>Hauptschneide S Nebenschneide S Hauptfreiflche A Nebenfreiflche A Schneidenecke</p> <p>Abb. 3: Flchen, Schneiden und Schneidenecke am Drehmeiel (nach DIN 6581 und DIN 6582)</p> <p>5</p> <p>Merkblatt 137</p> <p>Schnitt A-Bo o o Hauptschneide</p> <p>A</p> <p>Nebenschneide</p> <p>r</p> <p>Br Spanflche</p> <p>Z</p> <p>Ansicht Z o = Orthogonalfreiwinkel o = Orthogonalspanwinkel o = Orthogonalkeilwinkel r = Einstellwinkel r = Eckenwinkel s = Neigungswinkel</p> <p>Hauptfreiflche</p> <p>s</p> <p>Abb. 4: Wichtigste Winkel am Schneidteil (nach DIN 6581)</p> <p>Durch einen negativen Neigungswinkel s (Abb. 4) kann die Schneide stabilisiert werden, so dass die Gefahr des Schneidenbruchs infolge rtlicher berlastung vermindert wird. Dies ist besonders im unterbrochenen Schnitt wichtig. Negative Neigungswinkel rufen jedoch hohe Passivkrfte (Kapitel 3.1.2) hervor, die eine hohe Steifigkeit der Werkzeugmaschine erfordern. Ein weiterer Nachteil kann in einer Ablenkung des Spans auf die Werkstckoberflche liegen, was zum Verkratzen der Oberflchen fhrt. Der Einstellwinkel r (Abb. 4) ist der Winkel zwischen Hauptschneide und unbearbeiteter Werkstckoberflche. Mit kleiner werdendem Einstellwinkel wchst die Eingriffslnge der Hauptschneide und die spezifische Schneidenbelastung sinkt. Der Nachteil kleiner Einstellwinkel sind hohe Passivkrfte, die zu Ratterschwingungen fhren knnen. Der Eckenradius r ist der Radius der Schneidenecke zwischen Haupt- und Nebenschneide. Er beeinflusst zusammen mit dem gewhlten Vorschub f wesentlich die erreichbare Oberflchengte. 6</p> <p>Diese ist umso hher, je grer der Eckenradius ist; zustzlich wird die Schneidenstabilitt erhht. Nachteilig sind jedoch auch hier die hohen Passivkrfte.</p> <p>1.3 Verschlei am SchneidteilJe nach Art und Dauer der Belastung des Schneidteils treten whrend der Zerspanung verschiedene, unterschiedlich stark ausgeprgte Verschleierscheinungen am Schneidteil auf (Abb. 5). In der Praxis werden in erster Linie die Verschleiausbildung an der Freiflche, bezeichnet als Verschleimarkenbreite VB, und auf der Spanflche der sogenannte Kolkverschlei als Verschleikriterien herangezogen. Dem Oxidationsverschlei auf der Nebenfreiflche kommt nur eine untergeordnete Bedeutung zu. Die in der Zerspanungslehre blichen Verschleiformen und Verschleimessgren sind in der ISO 3685 festgehalten. Die den verschiedenen Verschleiformen zugeordneten Messgren sind in Abb. 5 dargestellt.</p> <p>Die Verschleimarkenbreite wird von der ursprnglichen Schneidkante aus gemessen. Da die Verschleizone an der Freiflche oft unregelmig ausgebildet ist, wird sie in mehrere Bereiche (A, B, C und N) aufgeteilt, in denen dann jeweils die mittlere Breite ausgemessen wird. Zur Kennzeichnung des jeweiligen Bereichs wird das zugehrige Kurzzeichen als Index festgehalten, z. B. VBB. Auf der Spanflche unterscheidet man die Kolktiefe KT (grte Tiefe des Kolkes) und den Kolkmittenabstand KM (Abstand der Kolktiefe KT von der ursprnglichen Schneidkante), aus denen das Kolkverhltnis K = KT/KM gebildet wird. Der Abstand zwischen der verschlissenen Schneidkante und dem Kolkbeginn wird, parallel zur Werkzeug-Spanflche gemessen, als Kolklippenbreite KF bezeichnet. Der Versatz der verschlissenen gegenber der ursprnglichen Schneidkante wird als Schneidkantenversatz SV und SV in Richtung der Frei- bzw. Spanflche gekennzeichnet. Ursachen fr den Verschlei sind vornehmlich die mechanischen und thermischen Beanspru-</p> <p>Zerspanen von Stahl</p> <p>Verschleimarkenbreite VB</p> <p>KB: Kolkbreite KM: Kolkmittenabstand KT: Kolktiefe SV: Schneidenversatz in Richtung Freiflche SV: Schneidenversatz in Richtung Spanflche Schnitt A-AKT</p> <p>SV</p> <p>VBB,max.</p> <p>VBc</p> <p>r C</p> <p>VBB</p> <p>b/4 A N Verschleikerbe an d...</p>