In Vertiefung

Der Formenbau für den Automobilbereich hat in den letzten Jahrzehnten tiefgehende Veränderungen
erfahren.

Das Zusammenwirken der Automobilindustrie, die von den Formgebern hohe Qualität, verbesserte Produktivität, wirtschaftliche Effizienz und geringe Lieferzeiten fordern, hatte unmittelbar die Suche nach innovativen Bearbeitungstechniken, Materialien und Produktionsprozessen zur Folge.

Stahlwerke stellten neue Materialien zur Verfügung, der Markt zur Chipentfernung hat neue Werkzeugmaschinen hervorgebracht, neue Werkzeuge haben die Arbeit mit einer Schnittgeschwindigkeit
ermöglicht, die selbst in jüngerer Vergangenheit undenkbar war.

All dies hat den Formgebern erlaubt, dem Appell der Automobilindustrie erfolgreich zu antworten. Allerdings ist die Lösung eines Problems immer ein weiteres Problem, wie eine alte Volksweisheit sagt.

In dieser kurzen Abhandlung werden wir tatsächlich von den Problematiken sprechen, die von den höheren Leistungen der mechanischen Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen herrühren. Dabei lassen wir uns von tiefgehenden Studien (2012 – 2013) anregen, die in Zusammenarbeit mit dem Institut Fraunhofer-Gesellschaft, der größten europäischen Organisation angewendeter Forschung und dem Materials Center Leoben Forschung GmbH (MCL) erfolgte.

DIE CHIPBILDUNG BEIM HOCHGESCHWINDIGKEITSFRÄSEN

Sollecitazioni del materiale in diverse zone durante il taglio

Abb. 1: Beanspruchungen des Materials in verschiedenen Bereichen während des Schnitts

Die mechanischen Bearbeitungsprozesse für die Chipentfernung führen unvermeidlich strukturelle Änderungen an der Oberfläche eines Teils ein: Dieses Phänomen wird stark durch die synergistische und fortlaufende Änderung der Schnittparameter beeinflusst.

Diese “Oberflächenänderung” tritt aufgrund der schnellen Entwicklung eines hohen thermischen Gradienten sowie starker plastischer corticaler Deformationen mit daraus folgender metallurgischer transformation und möglichen chemischen Interaktionen zwischen corticalem Bereich des Teils und des umliegenden Ambientes auf.

Die bearbeitete Oberfläche kann eine, gegenüber dem Großteil des Materials sehr andersartige Struktur aufweisen: Dieses Problem war und ist immer noch Forschungs- und/oder Diskussionsgegenstand im Bereich der sogenannten “Oberflächenintegrität”, einem Begriff, der alle Aspekte der Oberflächenendbearbeitung, weißen Schichten, metallurgischen Änderungen und Restspannungen umfasst.

Die weißen Schichten und corticalen plastischen Deformationen, die während der Bearbeitung entstehen, haben sehr negative Auswirkungen auf die Oberflächenbedingung und vor allem auf die Ermüdungsfestigkeit der Produkte. Dadurch wird die Oberfläche spröde und verfestigt/verhärtet, so dass es zur Permeation von Mikrorissen und manchmal zum “Versagen” des Produktes kommt.

In Abb. 1 wird die Interaktion zwischen den verschiedenen “Regionen” des Materials während der Bearbeitungsphase sowie die Bildungsmechanismen der weißen Schicht schematisch dargestellt.

Die Region (I) stellt das Material vor dem Schnittwerkzeug und unter der bearbeiteten Oberfläche dar. In dieser Region unterliegt das Material einer plastischen Kompression sowie der Hitze, die von den Schnittbereichen propagiert wird. Wenn das Material die Region (II) betritt, wo das Reiben der Werkzeugseite gegen das Teil beachtlich ist, wird Hitze erzeugt, (die Schätzpunkte erreichen kann, die höher als der Schmelzpunkt des bearbeiteten Materials sind). Diese wird folglich in das Teil und Werkzeug geleitet. Außerdem unterliegt das Material in dieser Region starken Druckspannungen und Dehnungen.

Wenn die Schneidkante des Werkzeuges den Kontaktbereich verlässt und sich in die Region (III) bewegt, geschehen diverse Dinge:

Zunächst kommt es zum Stressentladung aufgrund der Tatsache, dass keine Kräfte mehr auf die Oberfläche wirken. Sodann erfolgt eine schnelle Abkühlung der erhitzten Masse sowohl wegen der Wärmedispersion im Umfeld als auch der Wärmeableitung durch die Kühlflüssigkeit, wenn diese verwendet wird. Schließlich kann es zu einer möglichen chemischen Reaktion mit der Umgebung und/oder dem Kühlschmierstoff kommen.

Deshalb können drei allgemeine Beitragsmechanismen identifiziert werden, die mit der Bildung von weißen
Schichten in Verbindung stehen oder dafür verantwortlich sind. Es sind Folgende:

  • Der plastische Verformungsflussmechanismus, der die corticale Schicht mit einer sehr feinen Kornstruktur schafft;
  • Der schnelle Aufheiz- und Temperiermechanismus, der die in Transformation befindlichen Produkte umsetzt;
  • Der Mechanismus der Oberflächenreaktion mit der Umgebung wie das Nitrieren und/oder das Zementieren und/oder die Oxidation.

Der Begriff “weiße Schicht” entsteht durch die Tatsache, dass diese Oberflächen bei der Betrachtung unter dem optischen Mikroskop oder ohne Details bei der elektronischen Rastermikroskopie (REM) weiß, “ohne Struktur” erscheinen.

So wird der Begriff “weiße Schicht” in der Literatur als generische Phrase verwendet, die sich auf sehr harte Oberflächenschichten beziehen. (In einigen Fällen wurden Mikrohärten von mehr als 1200 HV 0.001 erhoben). Sie bilden sich in Eisenwerkstoffen unter verschiedenen Bedingungen und erscheinen unter dem Mikroskop weiß.

BEZIEHUNG ZWISCHEN BILDUNG DER WEISSEN SCHICHT UND VERSCHLEISS DES WERKZEUGES

In der interaktiven Dynamik des Prozesses ist es unvermeidlich, dass sich die Schnittbedingungen fortlaufend verschlechtern, wodurch sich die in Abb. 1 beschriebenen Phänomene beachtlich ausdehnen.

Studien des Bereiches setzen die weiße Schicht und den Verschleiß auf der Werkzeugseite für verschiedene Schnittgeschwindigkeiten miteinander in Verbindung.

Die Dicke der weißen Schicht erhöht sich fortlaufend mit Schnittgeschwindigkeit und Verschleiß auf der Seite des Werkzeuges.

Hinsichtlich der Kurvenneigung erreicht die Tiefe der weißen Schicht ein asymptotisches Maximum beieiner bestimmten Schnitttiefe (p), wie in Abb. 2 gezeigt wird.

Abb. 2:  Dicke der weißen Schicht je nach Verschleiß der Seite und der
Schnittgeschwindigkeit

Das oben beschriebene Phänomen stellt ein, auch während der Wärmebehandlungsphase, besonders kritisches Element dar.

Die “veränderten Oberflächen”, die gegenüber dem Basismaterial sehr hart sind, sind fruchtbares Gebiet für die Verbreitung von Rissen und/oder Mikrorissen. Dabei besteht die Möglichkeit einer Verbreitung in Richtung Materialkern.

Es empfiehlt sich immer, die Wärmebehandlung mit Entspannung nach der Bearbeitung vorzusehen, um die oben beschriebenen Phänomene abzuschwächen.

Die Abb. 3 zeigt zum Beispiel die Änderung der Restspannungen im sub-corticalen Bereich für verschiedene im Handel befindliche Stahlarten unter verschiedenen Schnittbedingungen.

Abb. 3: Restspannungen im sub-corticalen Bereich

Die Abb. 4 zeigt zum Beispiel die Änderung der Mikrohärte im Querschnitt für Stahl 1.2343 unter verschiedenen Schnittbedingungen.

Abb. 4: Mikrohärteverlauf im Querschnitt im sub-corticalen Bereich unter verschiedenen
Schnittbedingungen

OBERFLÄCHENSCHÄDEN

Einige Metallographien mit unterschiedlicher Vergrößerung, welche die Oberflächenschäden als Folge von mechanischen Bearbeitungen (Bilder in der REM-Rasterelektronenmikroskopie) zeigen.

IM QUERSCHNITT SICHTBARE OBERFLÄCHENSCHÄDEN

Einige Metallographien im Querschnitt, welche die Oberflächenschäden zeigen, die von mechanischen Bearbeitungen herrühren (Bilder in der REM-Rasterelektronenmikroskopie).

BILDER BEI OPTISCHEN MIKROSKOPEN

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