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20.07.2020

Untersuchung der Reibung in der Spanbildungszone bei der Zerspanung von C45 mit unterschiedlich präparierten Hartmetallwerkzeugen

Forschungsarbeit zur Werkzeugstandzeit

Zur Realisierung effizienter und nachhaltiger Zerspanprozesse stellen die Werkzeuge und ihre Standzeit einen wesentlichen Faktor dar. Die hohe mechanische und thermische Belastung und die großen Relativgeschwindigkeiten bei modernen Zerspanungsprozessen führt zu großem Werkzeugverschleiß.

Autoren: Saelzer, Jannis; Berger, Sebastian; Zabel, Andreas; Biermann, Dirk

Einleitung

Dieser wiederum ist wesentlich durch die Reibung zwischen Span und Spanfläche bestimmt [1]. Als Reibung wird wiederum das Resultat verschiedener Mechanismen verstanden, deren jeweilige Ausprägung von den Eigenschaften des tribologischen Systems aus Werkzeug, Werkstück und Span (Tribopartner) bestimmt ist [2]. Dabei lassen sich gängige Untersuchungsmethoden in der Tribologie nicht auf die spanende Fertigung übertragen, da bei der Spanbildung ein ausgeprägtes Belastungskollektiv mit hohen Temperaturen, Kontaktdrücken und Relativgeschwindigkeiten herrscht [3].

Für die in der Zerspanung vorliegenden Randbedingungen wurde die der Tribopartner als ein zentraler Einflussfaktor identifiziert. Je höher die Relativgeschwindigkeit ist, umso mehr reduzieren sich die Reibspannung und der Reibungskoeffizient nach Coulomb. Ab einer gewissen Geschwindigkeit nähern sich die beiden Größen einem Grenzwert an [4]. Zudem konnten die Oberflächentopografie des Werkzeugs [5] und die Verwendung eines Kühlschmierstoffes (KSS) [6] als Einflussfaktor auf das aus der Reibung resultierende thermo-mechanische Belastungskollektiv identifiziert werden. Die Wirkmechanismen bei Verwendung unterschiedlicher Werkzeugoberflächen und Kühlschmierstoffe sind bisher weitestgehend unerforscht [7]. Um das Potenzial von Hartmetallwerkzeugen möglichst gut nutzen zu können, ist daher das komplexe Zusammenspiel von Oberflächentopografie, Kühlschmierstoff und Relativgeschwindigkeit näher zu betrachten.

Dazu wurden im Rahmen der hier dargestellten Untersuchungen in einem Modellversuch Orthogonalschnitte mit unterschiedlich präparierten Hartmetallwerkzeugen an Werkstücken aus C45 durchgeführt. Diese Versuche, bei denen die maßgeblich durch Reibung bestimmte Passivkraft im Fokus steht, erfolgten zunächst trocken, wobei im Folgenden ein Arbeitsprogramm zur Analyse des Einflusses eines ölbasierten Kühlschmierstoffs auf die Reibung vorgestellt wird.

Experimentelle Randbedingungen

Im Rahmen dieser Untersuchungen kamen Werkzeuge aus dem Substrat K40 UF mit einem Spanwinkel von γ = 0° zum Einsatz. In ihrem Initialzustand wiesen alle Werkzeuge eine geschliffene Oberfläche auf. Auf dieser Basis wurden drei unterschiedliche Oberflächenpräparationen an den Werkzeugen durchgeführt: Mikrofinishen, Abrasives Nassstrahlspanen und Polierschleifen. Die resultierenden Oberflächen sind in Abbildung 1 dargestellt. Durch die kinematische Überlagerung zweier translatorischer Bewegungen beim Flach-Mikrofinishen ergeben sich die charakteristischen Kreuzriefen sowie eine gemittelte Rautiefe von Rz = 0,29 µm in Spanflussrichtung und Rz = 0,37 µm orthogonal dazu. Das Nassstrahlspanen erzeugt eine isotrope Oberfläche mit einer Grübchenstruktur und einer gemittelten Rautiefe von Rz = 0,96 µm auf der Oberfläche. Mithilfe des Polierschleifens mit elastisch gebundenen Schleifpartikeln wird die Hartmetallfläche stark eingeebnet. Nach dieser Präparation liegt eine gemittelte Rautiefe von Rz = 0,29 µm in Spanflussrichtung und Rz = 0,26 µm in Orthogonalrichtung vor.

Abbildung 1: Oberflächenpräparationen der unbeschichteten Hartmetallwerkzeuge (© ISF)


Als untersuchte Werkstoffe kamen der unlegierte Vergütungsstahl C45 mit normalisiertem Gefüge zum Einsatz. C45 findet breite Anwendung im Maschinen- und Fahrzeugbau und ist aufgrund seiner Verbreitung von großem industriellen Interesse. Im Rahmen der dargestellten Untersuchungen kamen stegförmige Werkstücke mit einer Breit von bw = 2 mm zum Einsatz.

Sämtliche Versuche wurden auf einem speziellen Versuchsaufbau zur Spanbildungsanalyse (siehe Abbildung 2) der Heinz Berger Maschinenfabrik GmbH & Co-KG durchgeführt. Diese Maschine besteht im Wesentlichen aus einem Tisch mit linearem Direktantrieb zur Realisierung der Schnittgeschwindigkeit (x-Achse) sowie einem Portal mit zwei Achsen (y- und z-Achse) zur Einstellung des Spanungsquerschnitts. Sie zeichnet sich durch eine hervorragende Zugänglichkeit für die Installation von Messmitteln sowie eine hohe realisierbare Schnittgeschwindigkeit von bis zu vc = 180 m/min aus.

Das Werkstück wird mithilfe einer Vorrichtung auf dem Tisch befestigt, während das Werkzeug am Portal in einem Drei-Komponenten Dynamometer vom Typ 9263 der Firma Kistler, das der Erfassung der mechanischen Werkzeugbelastung dient, eingespannt ist. Das Werkzeug wies einen Spanwinkel von γ = 0° auf, wodurch die Passivkraft im Wesentlichen aus den Reibungsmechanismen in der sekundären Scherzone resultiert. Der Versuchsplan sah eine Variation der Schnittgeschwindigkeit (vc = 60 m/min; vc = 120 m/min; vc = 180 m/min) und der Spanungsdicke (h = 0,1 mm; h = 0,15 mm; h = 0,2 mm) auf jeweils drei Stufen vor. Dadurch ergaben sich insgesamt neun Versuchspunkte für jede Variante der Spanflächenpräparation.

Abbildung 2: Versuchsaufbau zur Spanbildungsanalyse (© ISF)

Ergebnisse der mechanischen Werkzeugbelastungen

Die mithilfe des Dynamometers gemessenen mechanischen Werkzeugbelastungen wurden zunächst für jeden Versuchspunkt im stationären Bereich gemittelt. Auf Basis der arithmetischen Mittelwerte aus den experimentellen Untersuchungen ließen sich dann Regressionsmodelle parametrieren, die das Verhalten der Schnitt- und der Passivkraft in Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit und der Spanungsdicke vorhersagt. Abbildung 3 stellt das Regressionsmodell für die Schnittkraft in Abhängigkeit von Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke für die nassstrahlgespante Werkzeugoberfläche dar. Eine Analyse des Modells zeigt, dass die Schnittkraft maßgeblich durch die Spanungsdicke bestimmt wird. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine Erhöhung der Spanungsdicke zu einer Vergrößerung der primären Scherzone führt. Folglich muss mehr Material geschert werden, was eine höhere resultierende Schnittkraft mit sich bringt. Die Schnittgeschwindigkeit übt nur in geringer Ausprägung einen Einfluss auf die Schnittkraft aus.

Mit steigender Schnittgeschwindigkeit nimmt die Schnittkraft leicht ab. Dies ist auf die thermische Materialentfestigung zurückzuführen, die aufgrund der höheren Temperaturen bei steigender Schnittgeschwindigkeit im Bereich der Spanbildungszone im Werkstück auftritt. Die Überlagerung dieser beiden Effekte führt dazu, dass sich das Schnittkraftmaximum bei der geringsten Schnittgeschwindigkeit von vc = 60 m/min und der höchsten Spanungsdicke von h = 0,20 mm einstellt, es beträgt Fc = 1147 N. Das Minimum der Schnittkraft im betrachteten Parameterraum liegt mit Fc = 668,3 N bei vc = 180 m/min und h = 0,1 mm vor.

Bei Auswertung der Schnittkraftmodelle für die anderen beiden Spanflächenpräparationen zeigt sich, dass sich diese vom Verlauf und den Beträgen der Kraft sehr ähnlich verhalten. Daraus lässt sich schließen, dass die vor allem durch die Mechanismen in der primären Scherzone bestimmte Schnittkraft, nicht durch die Spanflächentopografie beeinflusst wird, sodass die anderen beiden Modelle hier nicht dargestellt sind.

Abbildung 3: Regressionsmodell der Schnittkraft in Abhängigkeit von Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke für die nassstrahlgespante Spanfläche (© ISF)

Der Fokus der Auswertung lag auf der Analyse der Passivkräfte. Zu diesem Zweck stellt Abbildung 4 Regressionsmodelle der Passivkraft in Abhängigkeit von Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke für die drei unterschiedlichen Topografien der Spanfläche dar.

Für alle drei Oberflächentopografien unterliegt die Passivkraft den gleichen Abhängigkeiten von Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke. Mit zunehmender Spanungsdicke steigt sie an. Dies ist auf eine Zunahme der Kontaktlänge in der sekundären Scherzone zurückzuführen, durch welche die Reibungsmechanismen auf einer größeren Fläche ablaufen und eine größere Kraft zur Überwindung der dadurch verursachten Widerstände notwendig ist. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit nimmt die Passivkraft ab. Dafür sind verschiedene Einflüsse verantwortlich: zum einen steigt mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit die Temperatur an, wodurch abrasive Reibung aufgrund der Materialerweichung unter geringerem mechanischen Widerstand abläuft und adhäsive Reibung durch die Verringerung der Kaltverfestigung reduziert wird. Außerdem befindet sich ein einzelner Bereich des Spans bei zunehmender Relativgeschwindigkeit für kürzere Zeit im Kontakt mit dem Werkzeug. Da Adhäsion ein zeitabhängiger Vorgang ist, reduziert sich ihre Ausprägung also mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit.

Ein Vergleich der verschiedenen Spanflächen zeigt, dass das Maximum der Passivkraft bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 60 m/min und einer Spanungsdicke h = 0,2 mm für die mikrogefinishte Oberfläche mit Fp = 801,6 N fast genauso hoch ist, wie im Falle der gestrahlten Spanfläche mit Fp = 799,1 N. Bei steigender Schnittgeschwindigkeit und sinkender Spanungsdicke sinkt die Passivkraft an der mikrogefinishten Fläche jedoch stärker ab als auf der nassstrahlgespanten. So liegt das Minimum für die erstgenannte Oberfläche, das sich bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 180 m/min und einer Spanungsdicke von h = 0,1 mm, bei Fp = 433,3 N einstellt, während es für die nassstrahlgespante Oberfläche und die gleichen Schnittwerte Fp = 478,7 N beträgt. Die Ursache ist, dass sich bei großen Schnittgeschwindigkeiten durch die hohen Temperaturen zwischen dem Span und mechanisch am Werkzeug angelagertem Werkstückstoff eine flüssige Zwischenschicht einstellt, auf welcher der Span abgleitet und das Material auf der mikrogefinishten Oberfläche stabiler haftet. Dadurch kommt es seltener zum Abreißen von Materialbestandteilen und daraus resultierendem direkten abrasivem Kontakt von Span und Spanfläche.

Mit Passivkräften von Fp = 841,9 N bei der Schnittgeschwindigkeit vc = 60 m/min und der Spanungsdicke h = 0,2 mm und Fp = 578,6 N bei vc = 180 m/min und h = 0,1 mm liegt das Niveau bei der poliergeschliffenen Spanfläche insgesamt deutlich höher als bei den anderen beiden Oberflächentopografien. Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass die reale Kontaktfläche aufgrund der flachen Topografie deutlich größer ist und die geringe Anzahl und Tiefe an Rauheitstälern dazu führt, dass die Materialanhaftungen weniger stabil sind.

Abbildung 4: Regressionsmodelle der Passivkraft in Abhängigkeit von Schnittgeschwindigkeit und Spanungsdicke für drei unterschiedlich präparierte Spanflächen (© ISF)

Geplante Untersuchungen zum Einfluss des Kühlschmierstoffs

In einem neuen Projekt, das inhaltlich auf den zuvor beschriebenen Untersuchungen aufbaut, soll die Reibung in der Spanbildungszone für C45 und Ti6Al4V bei Verwendung eines ölbasierten Kühlschmierstoffes (KSS) für unterschiedlich präparierte Hartmetalloberflächen untersucht werden. Dabei stellt auch der Vergleich mit den vorstehend dargestellten, trocken durchgeführten Untersuchungen im Vordergrund, um die Wirkmechanismen des Kühlschmierstoffes bei Interaktion mit unterschiedlichen Oberflächentopografien zu charakterisieren. Die experimentellen Ergebnisse sollen dann auch für die Modellierung der Reibung in Abhängigkeit der Spanflächentopografie für unterschiedliche Kühlschmierstoffkonzepte eingesetzt werden. Deshalb werden zunächst Versuche zur Charakterisierung der Reibung unter zerspanungsähnlichen Bedingungen durchgeführt.

Dazu wird ein Grundkörper aus Hartmetall (Werkzeug) unter einem definierten Winkel von 5° mit einem Gegenkörper aus C45 (Werkstück) durch Relativbewegung in Kontakt gebracht (Abbildung 5). Das sich dabei einstellende thermomechanische Belastungskollektiv entspricht von der Größenordnung her dem, wie es in den Zerspanungsuntersuchungen auftritt. Somit sind die Ergebnisse der Charakterisierung auf die Zerspanung übertragbar. Im Rahmen der Versuchsreihen wird die Relativgeschwindigkeit variiert, da diese als wesentlicher Einflussfaktor auf die Reibungsmechanismen in der Spanbildungszone identifiziert werden konnte. Mithilfe des applizierten Dynamometers werden die am Grundkörper wirkenden Kräfte erfasst, die sich nach Messung der Kontaktfläche in Spannungen umrechnen lassen.

Auf Seiten des Gegenkörpers findet unmittelbar hinter dem Kontakt der Reibpartner mit einem faseroptischen Quotientenpyrometer die Temperaturmessung statt. Auf Basis der Ergebnisse aus den Versuchen ist es möglich, Modelle der Reibspannung oder des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit der Spanflächentopografie, des Kühlschmierstoffs und der Relativgeschwindigkeit zu entwickeln. Diese Modelle werden im Rahmen von Finite-Elemente-Spanbildungssimulationen eingesetzt, um die thermischen und mechanischen Werkzeugbelastungen sowie den Werkzeugverschleiß für unterschiedliche Prozessbedingungen besser vorhersagen zu können.

 Abbildung 5: Versuchsaufbau zur Charakterisierung des Reibungsverhaltens unter zerspanungsähnlichen Bedingungen (© ISF)

Abbildung 5: Versuchsaufbau zur Charakterisierung des Reibungsverhaltens unter zerspanungsähnlichen Bedingungen (© ISF)

Um unmittelbar Erkenntnisse bezüglich der Wirkmechanismen der Interaktion von KSS und Spanflächentopografie in der Spanbildungszone ableiten zu können und die Simulationen validieren zu können, werden Zerspanungsversuche im Orthogonalschnitt unter Verwendung von KSS mit unterschiedlich präparierten Werkzeugen durchgeführt. Der dabei eingesetzte Versuchsaufbau ist äquivalent zu dem in Abschnitt 2 beschriebenen (siehe Abbildung 2). Die Benetzung der Spanfläche mit dem KSS wird mithilfe eines Pinsels händisch vorgenommen und in ihrem Initialzustand durch lichtmikroskopische Aufnahmen erfasst. Um neben den mechanischen Werkzeugbelastungen auch die Temperaturen des Werkzeuges und die Benetzung des Werkzeuges mit dem ölbasierten KSS zu untersuchen, kommt eine alternative Probengeometrie zum Einsatz, die in Abbildung  dargestellt ist. Durch Längsnuten in Schnittrichtung wird die Spanfläche temporär und lokal zugänglich, was eine Messung der Spanflächentemperatur durch das Pyrometer ermöglicht. Nach dem gleichen Prinzip soll mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera die Menge und Verteilung des Kühlschmierstoffes nach unterschiedlichen Eingriffszeiten messtechnisch quantifiziert werden.

Abbildung 6: Versuchsaufbau zur Untersuchung des Reibungsverhaltens in der Spanbildungszone unter Einsatz von Kühlschmierstoff (© ISF)

Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen wurden Zerspanungsversuche an C45 im Orthogonalschnitt mit Werkzeugen unterschiedlicher Spanflächentopografie unter Variation der Schnittwerte durchgeführt, um den Einfluss dieser Parameter auf die Reibung in der sekundären Scherzone zu untersuchen. Dabei ließ sich feststellen, dass der Einsatz einer mikrogefinishten Spanfläche insbesondere bei hohen Schnittgeschwindigkeiten im Vergleich zu einer gestrahlten und einer poliergeschliffenen Spanfläche die geringsten reibungsbedingten mechanischen Werkzeugbelastungen erfährt.

Zur Reduzierung der reibungsbedingten mechanischen Belastung von Hartmetalloberflächen in der Spanbildungszone ist also die Präparation durch das Mikrofinishen mit einer gemittelten Rautiefe von ca. Rz = 0,3 µm empfehlenswert In einem Folgeprojekt soll untersucht werden, wie sich der Einsatz eines ölbasierten Kühlschmierstoffes in Interaktion mit den verschiedenen Hartmetalloberflächen auf die Reibung in der Spanbildungszone auswirkt.

Förderungshinweis

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 439919057.

Literaturhinweis

[1] Sommer, Karl; Schöfer, Jörg; Heinz, Rudolf (2018): Verschleiß metallischer Werkstoffe. Erscheinungsformen sicher beurteilen. 3., neu bearbeitete Auflage. Wiesbaden, Germany: SPRINGER VIEWEG.

[2] Popov, Valentin (2016): Kontaktmechanik und Reibung. Von der Nanotribologie bis zur Erdbebendynamik. 3rd ed. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg.

[3] Puls, Hendrik; Klocke, Fritz; Lung, Dieter (2012): A new experimental methodology to analyse the friction behaviour at the tool-chip interface in metal cutting. In: Prod. Eng. Res. Devel. 6 (4-5), S. 349–354. DOI: 10.1007/s11740-012-0386-6.

[4] Neugebauer, R.; Bouzakis, K.-D.; Denkena, B.; Klocke, F.; Sterzing, A.; Tekkaya, A. E.; Wertheim, R. (2011): Velocity effects in metal forming and machining processes. In: CIRP Annals 60 (2), S. 627–650. DOI: 10.1016/j.cirp.2011.05.001.

[5] Patel, Kaushalandra; Liu, Guoliang; Shah, Suril R.; Özel, Tuğrul (2020): Effect of Micro-Textured Tool Parameters on Forces, Stresses, Wear Rate, and Variable Friction in Titanium Alloy Machining. In: Journal of Manufacturing Science and Engineering 142 (2), S. 248. DOI: 10.1115/1.4045554.

[6] Faverjon, Pierre; Rech, Joël; Leroy, René (2013): Influence of Minimum Quantity Lubrication on Friction Coefficient and Work-Material Adhesion During Machining of Cast Aluminum With Various Cutting Tool Substrates Made of Polycrystalline Diamond, High Speed Steel, and Carbides. In: Journal of Tribology 135 (4), S. 389. DOI: 10.1115/1.4024546.

[7] Pang, Minghua; Liu, Xiaojun; Liu, Kun (2018): Effect of surface texture on the friction of WC-TiC/Co cemented carbide under a water-miscible cutting fluid environment. In: Ind Lubrication and Tribology 70 (7), S. 1350–1359. DOI: 10.1108/ILT-06-2017-0175.

Unternehmensinformation

TU Dortmund Inst. f. Spanende Fertigung

Baroper Str. 303
DE 44227 Dortmund

Internet:www.isf.de


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