Drehen Schneidendämpfung optimiert Standzeit beim Drehen mit unterbrochenem Schnitt

Autor / Redakteur: Jürgen Fleischer, Rüdiger Pabst und Chris Becke / Bernhard Kuttkat

Versuchsergebnisse zeigen, dass schon mit einfachen Mitteln die Werkzeugstandzeit beim Drehen im unterbrochenen Schnitt deutlich optimiert werden kann. Schneiden-Unterlegplättchen aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen bewirken ein Dämpfen des Eintrittsstoßes auf das Werkzeug. Diese reduzierte Stoßbelastung der Schneiden verlängert die Werkzeugstandzeit.

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Eine gezielte Nachgiebigkeit im Drehwerkzeug durch ein Unterlegplättchen in räumlicher Nähe der Bearbeitungsstelle verringert beim Drehen mit unterbrochenem Schnitt die Stoßwirkung auf die Schneide. Bild: wbk
Eine gezielte Nachgiebigkeit im Drehwerkzeug durch ein Unterlegplättchen in räumlicher Nähe der Bearbeitungsstelle verringert beim Drehen mit unterbrochenem Schnitt die Stoßwirkung auf die Schneide. Bild: wbk
( Archiv: Vogel Business Media )

Bei Bearbeitungssituationen, in denen der Schneideneintrittsstoß aufgrund der Verfahrenscharakteristik oder der Werkstückgeometrie unvermeidlich ist, führen die daraus resultierenden hohen dynamischen Belastungen der Schneide häufig zu unkontrolliertem und spontanem Schneidenbruch. Ein typisches Beispiel dafür ist das Drehen im unterbrochenen Schnitt oder das Stirnplanfräsen mit einem Messerkopffräser. Ziel des vorgestellten Forschungsprojektes ist die Ermittlung des Zusammenhangs zwischen der Werkzeugnachgiebigkeit beim Schneideneintrittsstoß und der damit verbundenen Standzeit.

Zur Darstellung der Verschleißerscheinungen aufgrund des Schneideneintritts eignet sich das Fräsen, weil es ein trennendes Fertigungsverfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung und geometrisch bestimmter Schneide ist. Die Bewegung wird von einem meist mehrschneidigen Werkzeug ausgeführt.

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Im Gegensatz zum Drehen und Bohren handelt es sich beim Fräsen immer um ein Verfahren mit unterbrochenem Schnitt. Jede Schneide durchläuft den Schneideneintritt, den Schnitt, den Schneidenaustritt und den darauf folgenden Luftschnitt. Dabei kommt es zu komplexen mechanischen und thermischen Wechselbeanspruchungen.

Es zeigt sich, dass eine häufige Versagensursache des Schneidstoffes auf die dynamischen Auswirkungen des Schneideneintritts zurückzuführen ist. In der Praxis tritt das aufgrund des unbestimmbaren, bauteilbedingten Schneideneintritts häufig bei Fräsarbeiten an Gussteilen auf, aber auch bei Drehteilen mit nichtrunder Kontur.

Der Eintrittsstoß verursacht Druckspannungen am Werkstück

Beim Schneideneintritt schlägt zunächst die Schneide entsprechend den geometrischen Kontaktbedingungen auf das Werkstück auf. Zur Charakterisierung dieser Kontaktbedingungen wurden zur Bezeichnung der Auftreffpunkte die Buchstaben S, T, U, V, eingeführt (Bild 1).

Das Auftreffen der Schneide auf dem Werkstück verursacht Druckspannungen normal zur Kontaktfläche und Schubspannungen im angrenzenden Werkstoffbereich (Bild 2). Der Werkstoff in der Kontaktzone wird mehr und mehr gestaucht bis die Schubspannungen am Rand der Stauchzone die kritische Scherfestigkeit überschreiten. Die dann einsetzende Rissbildung verändert die Geometrie des belasteten Werkstoffbereichs, so dass die eigentliche Spanbildung mit der Bildung einer Scherzone beginnen kann.

Die Prozessgrößen zur Charakterisierung des Schneideneintritts sind zunächst die geometrischen Eintrittsbedingungen. Bei Hartmetall-Schneidplatten hat es sich bewährt, beim Anschnitt mit U-Kontakt zu beginnen. Diese für den Schneideneintritt günstige Eintrittsbedingung wirkt sich jedoch aufgrund des dadurch gebildeten negativen Spanwinkels ungünstig auf den Materialschnitt im Werkstück aus.

Hohe Stoßenergie und Kraftanstiegswert beanspruchen die Schneiden stark

Weitere Parameter sind die dynamischen Größen Teileindringzeit, Teileindringfläche, Stoßenergie, Kraftanstiegswert sowie der Stoßfaktor. Sind die Stoßenergie und der Kraftanstiegswert sehr hoch, steigt die Beanspruchung der Schneiden deutlich an.

Bei hohen Schnittkräften entstehen Schneidkanten- und Eckenausbrüche. Das ist besonders dann der Fall, wenn Keilwinkel oder Eckenwinkel für die Belastung zu klein sind. Des Weiteren kann ein zu spröder Schneidstoff die Ursache sein.

Ein weiterer Faktor ist die Schneidengeometrie, die die geometrischen Kontaktbedingungen sowie die Spanform und -abfuhr bestimmt. Eintrittswinkel und -ebene ergeben zusammen mit der Schneidengeometrie die Eintrittsbedingungen.

Stoßbeanspruchungen können Schneidenausbrüche verursachen

Stoßartige Beanspruchungen können ebenfalls Schneidenausbrüche verursachen. Der instationäre Vorgang des unterbrochenen Schnittes ist von zahlreichen Faktoren abhängig. Durch das Bearbeitungsverfahren wird die grundsätzliche Konstellation von Werkzeug zu Werkstück definiert. Die Antriebsart unterscheidet zwischen dem direkten, „harten“ (beispielsweise Motorspindel) und indirekten, „weichen“ (zum Beispiel Riemen) Antrieb. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit ist eine höhere Stoßbeanspruchung zu erwarten.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Drehmasse. Eine hohe Drehmasse wirkt sich wie ein direkter Antrieb aus, weil kaum eine Geschwindigkeitsveränderung oder Dämpfung des Schneideneintritts stattfindet.

Der Prozess wird darüber hinaus entscheidend von der Wahl des Werkstückmaterials und des Schneidstoffs beeinflusst. Härte, Scherfestigkeit, Veränderung der mechanischen Eigenschaften bei Temperaturänderung beeinflussen den dem Schneidstoff entgegengebrachten Widerstand, der über Festigkeit und Zähigkeit dem Prozess angepasst wird.

Leistendrehversuch ermittelt Einflussgrößen

Ziel des Forschungsprojektes ist die Betrachtung des Schneideneintrittsstoßes beim unterbrochenen Schnitt, um daraus ein umfassendes Prozessverständnis bezüglich der Versagensmechanismen der Werkzeugschneide während des Schneideneintritts abzuleiten. Zu Beginn werden mit einem modifizierten Leistendrehversuch als Analogieprozess die technologischen Einflussgrößen ermittelt.

Aufbauend darauf werden die Ergebnisse aus den Prinzipversuchen auf das mit rotierendem Werkzeug arbeitende und somit komplexere Verfahren Fräsen übertragen. Dabei gliedert sich die Arbeit in die Entwicklung eines passiven und eines aktiven Fräswerkzeugs.

Grundlagenuntersuchungen auf einer Drehmaschine

Dargestellt werden nun die Ergebnisse aus den Grundlagenuntersuchungen des Drehprozesses. Die Versuche werden auf einem Drehbearbeitungszentrum mit direkt angetriebener Spindel (Index V 300) durchgeführt. Dabei wird eine gezielte Nachgiebigkeit im Drehwerkzeug in räumlicher Nähe der Bearbeitungsstelle eingebracht, indem der Werkstoff der Unterlegplatte im Drehhalter variiert wird.

Der unterbrochene Schnitt wird mit einer an den standardisierten Leistendrehtest nach DIN 3324 angelehnten Vorrichtung simuliert (Bild 3). Unter Berücksichtigung des Bauraums und der Verfügbarkeit von standardisiertem Stabmaterial wurden die Abmessungen der einzelnen Leisten auf die Abmessungen 10 mm × 25 mm × 100 mm festgelegt.

Aufgrund der maximalen Leistenlänge von 100 mm wurde die Anzahl der Leisten am Umfang von vier auf sechs erhöht. Wie beim Leistendrehtest werden die Materialleisten durch keilförmige Spannleisten mit einer Anschrägung von 7° reibschlüssig an der Vorrichtung geklemmt.

Versuchsreihen bis zum Plattenbruch

Bei den Versuchsreihen wird Flachmaterial (Baustahl, Vergütungsstahl, Grauguss und eine Aluminiumknetlegierung) mit gängigen Schneidstoffen zerspant und das Verschleißverhalten in Abhängigkeit von der Unterlegplatte dokumentiert (Tabelle 1, siehe Download am Ende des Textes). Als Versagenskriterium der Schneidplatte wird die Anzahl der Lastspiele bis zum Zeitpunkt des Plattenbruchs herangezogen.

Die Messung erfolgt mit einer in der Spindel integrierten Kraftmessplattform. Durch einen Plattenbruch steigt die Schnittkraft sprunghaft an, so dass über den bis zum Plattenbruch zurückgelegten Vorschubweg die Anzahl der ertragenen Stöße errechnet werden kann.

Das eingesetzte Versuchswerkzeug ist ein Walter-Drehhalter Novex Turn DSSN 2525 M12. Um die verschiedenen Nachgiebigkeiten im Werkzeug zu realisieren, werden für die Versuche Unterlegplatten aus verschiedenen Materialien mit verschiedenen Elastizitätsmodulen angefertigt. Die Geometrie wird von der Walter-Originalunterlage (Bezeichnung: AP 141- SN 1216) übernommen und durch Fräsen und Planschleifen hergestellt.

Für die Unterlagen wurden Werkstoffe aus allen Elastizitätsbereichen berücksichtigt. Ein Schwerpunkt liegt bei den metallischen Werkstoffen, weil sie außer über eine gute Warmfestigkeit auch noch über eine ausreichende Bruchzähigkeit verfügen. Pertinax weist zwar eine geringe Warmfestigkeit auf und ist unter Realbedingungen den Temperaturen nicht gewachsen, aufgrund der kurzen Versuchsdauer kann es aber als Werkstoff aus dem unteren Elastizitätsspektrum verwendet werden.

Schnittparameter für den Versuch angepasst

Die eingesetzten Schneidplatten richten sich nach dem zu zerspanenden Werkstoff. In Vorversuchen zeigte sich, dass die vom Hersteller empfohlenen Schneidplatten für den Versuchsbetrieb aufgrund der hohen Standzeiten und dem damit verbundenen hohen Versuchsaufwand und Materialverbrauch nicht geeignet sind. Daher werden Schneidplatten eingesetzt, die eine geringe Zähigkeit und hohe Verschleißfestigkeit aufweisen und für die Schlichtbearbeitung optimiert sind.

Zusätzlich werden die Schnittparameter dahingehend angepasst, dass für den Versuchsbetrieb eine akzeptable Standzeit bei angemessenem Materialverbrauch gewährleistet werden kann. Tabelle 2 enthält die Werkstoffe, die dazu ausgewählten Schneidplatten und die Schnittparameter.

Kein Zusammenhang zwischen Nachgiebigkeit und Lastspielzahl

Zu jeder Versuchskombination aus Versuchswerkstoff und Unterlegplättchen werden 20 Einzelversuche durchgeführt. Ziel der Versuche ist die Bestimmung einer optimalen Nachgiebigkeit des Unterlegplättchens. Es zeigt sich jedoch in den Versuchen, dass kein beschreibbarer Zusammenhang zwischen Nachgiebigkeit (E-Modul) und Lastspielzahl gefunden werden kann.

Bild 4 zeigt die Ergebnisse der Zerspanung von Baustahl S 235. Die optimale Schneidplättchenunterlage ist nicht die originale Unterlage, sondern die Unterlage aus Aluminium liefert die besten Ergebnisse.

Jedoch weisen Aluminium sowie Magnesium und Pertinax nicht die notwendigen Festigkeiten aus. So zeigt sich, dass sich die Unterlagen plastisch verformen, wodurch die Prozessstabilität nicht mehr gegeben ist. Dies ist für den industriellen Einsatz inakzeptabel.

Unterlage aus Grauguss liefert die besten Ergebnisse

Aus den Ergebnissen kann abgeleitet werden, dass die Unterlage aus Grauguss die wahrscheinlich besten Ergebnisse liefert, weil der Mittelwert der Lastspiele nur knapp unter der Originalunterlage liegt, jedoch die Streuung der Lastspielzahlen geringer ist, wodurch eine höhere Prozesssicherheit erreicht werden kann.

Im Vergleich dazu stellen sich die Ergebnisse bei der Zerspanung von 42CrMo4 völlig anders dar (Bild 5). Die Streuung der Lastspielzahlen ist deutlich geringer, was auf ein homogeneres Material zurückzuführen ist.

Des Weiteren liefern alle Unterlagen bessere Ergebnisse als die originale Unterlage. Für einen Einsatz in der industriellen Anwendung ist eine Unterlage aus Guss zu verwenden, weil die Aluminiumunterlage nicht über eine ausreichende Festigkeit verfügt und sich unter der Schnittkraft plastisch verformt.

Aluminium-Unterlegplatten erweisen sich als nicht praxistauglich

Die Versuche mit dem Werkstoff EN-GJS-700 liefern wieder ein anderes Ergebnis. Auch bei diesen Versuchen zeigt sich, dass mit dem Variieren der Unterlegplatte eine deutliche Standzeiterhöhung erreicht werden kann.

Diesmal liefert eine Unterlegplatte aus Guss eine Verbesserung um 11,1%. Eine deutliche Standzeitsteigerung von 76,3% kann mit der Unterlage aus Stahl erreicht werden. Aluminium liefert ebenso eine Verbesserung von 94,3%, kann aber aus schon genannten Gründen nicht in der Praxis verwendet werden.

Bei der Zerspanung der Aluminiumlegierung konnte kein Schneidkantenbruch beobachtet werden. Daher wurde bei diesen Versuchen die Verschleißmarkenbreite in regelmäßigen Abständen vermessen und beurteilt.

Aufgrund der großen Schwankungen der Ergebnisse kann keine Aussage über die optimale Unterlage getroffen werden. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass bei den Werkzeugen Verbesserungspotenzial besteht. Zukünftige Forschungsarbeiten befassen sich deshalb mit passiver und aktiver Schneidendämpfung beim Fräsprozess.

Prof. Dr.-Ing. Jürgen Fleischer ist Leiter des Instituts für Produktionstechnik (wbk) der Universität Karlsruhe; Dipl.-Ing. Rüdiger Pabst und Dipl.-Ing. Chris Becke sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut.

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