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Merkblatt 137 Zerspanen von Stahl

Stahl-Informations-Zentrum

Merkblatt 137

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.

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.

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 & 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

Titelbild: Plandrehen Foto: Seco Tools GmbH

2

Zerspanen von Stahl

Inhalt1 1.1 1.2

1.3

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

3.3

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

Seite Zerspanbarkeit unterschiedlicher Stahlwerkstoffe ........... 20 Automatensthle ......... 21 Einsatzsthle ............... 21 Vergtungssthle ........ 21 Nitriersthle ................ 21 Werkzeugsthle .......... 22 Nichtrostende Sthle .. 22 Gehrtete Sthle ......... 23

5 5.1 5.2

5.3 6

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

2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.4 2.5

3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.2.1 3.2.2

3.2.3

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

6.1 6.2 6.2.1 6.2.2 6.3 6.3.1 6.3.2

7

3

Merkblatt 137

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.

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.

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-

fen mit geringer Verformungsfhigkeit. Eine weitere Ursache knnen auch Versprdungen sein, die z. B. durch Verformung im Werkstoffgefge hervorgerufen werden.

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-

Struktur im Werkstck

vc

Scherebene Struktur im Span Scherzone 0,1 mm

5 1 3 4Freiflche

2

vch

Spanflche

Schnittflche

Drehmeiel

DrehmeielSchnittflche

1 2 3 4 5

primre Scherzone sekundre Scherzone an der Spanflche sekundre Scherzone an der Stau- und Trennzone sekundre Scherzone an der Freiflche Verformungsvorlaufzone

Werkstoff: Schneidstoff: Schnittgeschwindigkeit: Spanungsquerschnitt:

C53E HW-P30 vc = 100 m/min ap f = 2 0,315 mm2

Abb. 1: Wirkzonen bei der Spanentstehung (nach [65])

4

Zerspanen von Stahl

1 Fliespan Abb. 2: Spanarten bei der Stahlzerspanung [64]

2 Lamellenspan

3 Scherspan

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 d

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