Prozessgestaltung für das Hochleistungstiefbohren von bainitischen Stählen

Autoren

Dipl.-Wirt.-Ing. Henning Hartmann, Institut für Spanende Fertigung (ISF), Baroper Straße 301, 44227 Dortmund

Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann, ISF Dipl.-Ing. Jürgen Wenzelburger, botek Präzisionsbohrtechnik GmbH, Langenfeldstraße 4, 72585 Riederich

Dipl.-Ing. Charlotte Merkel, EZM Edelstahlzieherei Mark GmbH, Nordstraße 14, 58300 Wetter

Hochfeste Stähle mit einem bainitischen Werkstoffgefüge sind aktuell von großem industriellen Interesse. Dies lässt sich auf ihre außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften zurückführen, welche vornehmlich durch eine hohe Festigkeit bei guten Zähigkeitskennwerten gekennzeichnet sind. Hierdurch bieten sie sich als Werkstoff für moderne Bauteile an, die besonderen Anforderungen und Belastungen ausgesetzt sind.

Einleitung

Bei der Bainitisierung wird ein Stahl zunächst austenitisiert und anschließend auf einem Temperaturniveau unterhalb der Perlitstufe und oberhalb der MS-Temperatur, in dem die Bainitbildung möglich ist, isotherm umgewandelt. Es ergibt sich ein ferritisches Gefüge mit eingelagerten Carbiden, welches durch geringe Gefügespannungen und hervorragende Zähigkeitseigenschaften gekennzeichnet ist [1, 2]. Zunehmend werden Stähle hergestellt, die aufgrund ihrer Zusammensetzung leichter in die Bainitstufe (Zwischenstufengefüge) zu überführen sind, beispielsweise durch unmittelbare Abkühlung aus der Walzhitze. Aufgrund des besonderen Verhältnisses aus hoher Festigkeit und günstiger Zähigkeit sind bainitische Stähle von hohem Interesse für industrielle Anwendungen, in denen herkömmlich eingesetzte Stahlgüten den steigenden Anforderungen nicht mehr gerecht werden können. Hier lassen sich beispielsweise Tendenzen zum Downsizing oder Forderungen nach höherer Leistung bei geringerer Umweltbelastung in der Automobilindustrie nennen [3]. Durch eine Substitution aktuell eingesetzter AFP- oder Vergütungsstähle durch hochfeste bainitische Werkstoffe ließe sich beispielsweise die Leistungsfähigkeit von Common-Rails oder Injektoren und damit des gesamten Verbrennungsmotors steigern. Neben den Vorteilen in der Anwendung ergibt sich darüber hinaus die Möglichkeit, die Fertigungskosten zu senken. Wie beschrieben, lässt sich das bainitische Gefüge ohne kostenintensive Wärmebehandlungen einstellen, so dass die gewünschten Bauteileigenschaften direkt aus der Schmiedehitze realisiert werden können. Um die Vorteile hochfester bainitischer Stähle in der industriellen Anwendung nutzen zu können, ist es unabdingbar, das kostenintensivste Element der Herstellungskette, die Zerspanung, wirtschaftlich zu gestalten. Insbesondere aufgrund der höheren Festigkeit dieser Materialien ist eine Zunahme des Werkzeugverschleißes bei der spanenden Bearbeitung zu erwarten, was zu höheren Werkzeugkosten oder geringerer Produktivität führt [4].

Aktuelle Forschungsschwerpunkte

Das Institut für Spanende Fertigung der Technischen Universität Dortmund führt in einem von der Allianz Industrie Forschung (AiF) geförderten und von zahlreichen Partnern aus Industrie und Forschung unterstützten Projekt umfangreiche Untersuchungen zur Zerspanbarkeit hochfester bainitischer Stähle durch. Im Rahmen des Projekts wird der Einfluss verschiedener hochfester Bainite auf die spanende Bearbeitung im Vergleich zu häufig eingestzten Referenzstählen untersucht. Für wichtige Fertigungsverfahren wie Drehen, Tiefbohren, Fräsen oder die Gewindefertigung soll zunächst die allgemeine Bearbeitbarkeit analysiert werden. Hierdurch sollen Erkenntnisse zur Optimierung der Bearbeitung dieser anspruchsvollen Materialien gewonnen werden, die sich insbesondere auf die Wahl geeigneter Bearbeitungsparameter und Werkzeuggestaltungen konzentrieren. In diesem Beitrag wird die Tiefbohrbearbeitung des bainitischen Stahls 20MnCrMo7+BY betrachtet. Bohren gehört zu den am häufigsten angewandten spanenden Fertigungsverfahren, wobei ab Bohrungslängen-zu-Durchmesser- Verhältnissen (l/D) von mindestens drei vom Tiefbohren gesprochen wird [5]. Zu den klassischerweise eingesetzten Tiefbohrwerkzeugen gehören Einlippenbohrer, welche durch einen asymmetrischen, geradegenuteten Werkzeugaufbau, hohe realisierbare l/D Verhältnisse und gute Bohrungsqualitäten gekennzeichnet sind. Aufgrund der im Werkstück liegenden Wirkstelle kommt der Spanabfuhr und einem kontrollierten Verschleißverhalten der Werkzeuge eine besondere Bedeutung zu. Im Rahmen der vorgestellten Untersuchungen wurde ein anspruchsvoller Prozess mit einem Bohrungsdurchmesser von D = 5 mm bei einer Bohrtiefe von l = 150 mm betrachtet. Als Zielstandweg für die Werkzeuge wurde ein Bohrweg von If = 20m definiert. Die mechanischen Kennwerte des Versuchswerkstoffs 20MnCrMo7+BY im Vergleich zum Referenzwerkstoff können Abbildung 1 entnommen werden. Als Versuchsmaschine kam ein Bearbeitungszentrum vom Typ Ixion TLF 1004 zum Einsatz.

Abb. 1: Eigenschaften der Versuchswerkstoffe

Abb. 1: Eigenschaften der Versuchswerkstoffe

Prozessgestaltung für das Tiefbohren eines hochfesten bainitischen Werkstoffs

In Abbildung 2 sind zunächst der Werkzeugverschleiß und die resultierende Spanform bei der Tiefbohrbearbeitung des Vergütungsstahl 42CrMo4+QT sowie des Bainits 20MnCrMo7 mit einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 80 m/min und f = 0,04 mm dargestellt. Felderhoff fand heraus, dass sich die höhere Festigkeit des Bainitischen Stahls signifikant auf den Werkzeugverschleiß auswirkt [6]. Bei Einsatz eines scharf geschliffenen, nicht beschichteten Einlippenbohrers mit konventioneller Kontur (ELB) konnte bei Bearbeitung des Vergütungsstahls ein Bohrweg von lf = 9 m realisiert werden, bevor der Versuch verschleißbedingt abgebrochen wurde. Neben einem fortschreitenden Freiflächenverschleiß ist auf der Abbildung insbesondere eine deutliche Abrundung der Schneidenecke zu erkennen. Bei Bearbeitung des hochfesten bainitischen Werkstoffs mit dem gleichen Werkzeug und identischen Schnittwerten wurde ein ähnliches Verschleißniveau bereits nach einem Bohrweg von lf = 1,95 m erreicht, so dass sich eine Verringerung des realisierbaren Bohrwegs von Δlf ≈ 80% ergibt. dies ist auf die höhere Festigkeit des Materials zurückzuführen. Bei reiner Betrachtung der resultierenden Spanformen ergeben sich beim höherfesten Material günstigere Späne. Beim Vergütungsstahl treten Bandspansegmente auf, die sich negativ auf die Abfuhr der Späne auswirken können, welche in dem durch Bohrungswand und Werkzeugnut definierten Raum erfolgt [6].

Abb. 2: Einfluss de Werkzeugs bei der Bohrbearbeitung bainitischer Stähle (nach [6])

Abb. 2: Einfluss de Werkzeugs bei der Bohrbearbeitung bainitischer Stähle (nach [6])

Da das für die Tiefbohrbearbeitung des Vergütungsstahls ausgelegte Werkzeug aufgrund der deutlich gesteigerten Werkstofffestigkeit kein zufriedenstellendes Standzeitvermögen aufwies, müssen Anpassungen vorgenommen werden. Durch eine Reduzierung der Schnittwerte könnte der Werkzeugverschleiß vermindert werden. Da dies jedoch mit einer Verringerung der Produktivität einhergeht, wurde in aktuellen Untersuchungen ein moderner Hochleistungseinlippenbohrer eingesetzt (HP-ELB), der von der Firma botek Präzisionsbohrtechnik GmbH entwickelt wurde. Hierbei handelt es sich wie beim Vergleichswerkzeug ELB ebenfalls um ein Vollhartmetallwerkzeug, dieses ist jedoch durch eine modifizierte Schneidengestalt, eine Beschichtung des gesamten Bohrkopfes sowie eine Vor- und Nachbehandlung der Schneidkanten charakterisiert. Diese Optimierungen ermöglichen insbesondere die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Aufgrund der alternativen Bohrkopfgestaltung kann das Werkzeug mit höheren Vorschubwerten als konventionelle Einlippenbohrer eingesetzt werden. Infolgedessen wurde der Vorschub in den Vergleichsversuchen um 50 Prozent auf f = 0,06 mm erhöht. Nach einer Anpassung der Schnittgeschwindigkeit auf vc = 60 m/min ergibt sich ein um Q = 12,5% erhöhtes Zeitspanvolumen bei Einsatz des Werkzeugs HP-ELB. Mit dem optimierten Werkzeug konnte ein Standweg von lf = 20 m bei Bearbeitung des hochfesten bainitischen Stahls realisiert werden, was einer Verdopplung des Bohrwegs bei Bearbeitung des Vergütungsstahls mit konventionellem Werkzeug entspricht. Die Beschichtung und Kantenpräparation führt zu einer geringen Ausprägung der Verschleißmarkenbreite. Auch die stark belastete Schneidenecke ist trotz des langen Bohrwegs intakt. Durch die angepasste Schneidengestalt ergeben sich darüber hinaus äußerst günstige Späne, die zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit sowie Verbesserung der Bohrungsqualität beitragen können. Es wird die Gefahr eines Verklemmens der Späne in der Bohrung sowie von Beschädigungen an der Oberfläche durch die ablaufenden Späne minimiert. Es zeigt sich, dass eine Optimierung des eingesetzten Zerspan- werkzeugs den negativen Einfluss von hochfesten bainitischen Stählen auf die Werkzeugstandzeit kompensieren kann. Dies lässt sich auch auf wichtige Kriterien der Bohrungsqualität übertragen (Abbildung 3).

Abb. 3: Einfluss des Werkzeugs auf die Bohrungsqualität (nach [6])

Abb. 3: Einfluss des Werkzeugs auf die Bohrungsqualität (nach [6])

In weiteren Versuchen wurde die Kombination aus Schnittgeschwindigkeit und Vorschub gesucht, die das maximal mögliche Zeitspanvolumen unter Einhaltung des Zielbohrwegs von lf = 20 m ermöglicht. Abbildung 4 zeigt den Verlauf von Vorschubkraft Ff und Bohrmoment MB über den Bohrweg. Die Entwicklung der mechanischen Werkzeugbelastung über den Bohrprozess ermöglicht prozessbegleitend Rückschlüsse auf die Entwicklung des Verschleißes. Beim Ausgangsprozess mit einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 70 m/min und einem Vorschub von f = 0,06 mm wurde die Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zum in Abbildung 2 dargestellten Prozess leicht erhöht. Hierbei ergibt sich nach einer Einlaufphase ein konstanter Verlauf der Vorschubkraft und des Bohrmoments über die gesamte Eingriffszeit, der Bohrweg von lf = 20 m wurde prozesssicher erreicht. Aufgrund der hohen Prozesssicherheit wurde der Vorschub, der die bestimmende Größe bezüglich der Produktivität beim Bohren bildet, auf f = 0,08 mm erhöht. Es ergibt sich ein ähnliches Bild wie beim geringeren Vorschub und bei identischer Schnittgeschwindigkeit. Nach einer Anstiegsphase über die ersten drei Meter Bohrweg pendeln sich die Kennwerte für den Rest des Prozesses auf einem konstanten Niveau ein. Zwar wirkt sich der gesteigerte Vorschub erhöhend auf die Mittelwerte der Vorschubkraft (ΔFf = 37 N) und des Bohrmoments ( ΔMB = 0,24 Nm) aus, die Verschleißentwicklung am Werkzeug aber lässt nicht auf eine Beeinträchtigung der Prozesssicherheit schließen. Erst bei einer zusätzlichen Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit auf vc = 80 m/min werden die Grenzen der Leistungsfähigkeit unter den gegebenen Standzeitkriterien erreicht. Bei reiner Betrachtung des Werkzeugs zu Beginn des Prozesses, d. h. nach einem Bohrweg von lf = 1 m, ergibt sich eine leichte Verringerung der mechanischen Werkzeugbelastung. Dies ist auf eine höhere Temperaturentwicklung infolge der höheren Schnittgeschwindigkeit und einer damit einhergehenden thermischen Entfestigung des Materials zurückzuführen. Im weiteren Verlauf des Prozesses stellt sich kein stationärer Belastungs- bzw. Verschleißbereich ein. Die gemessenen Zerspankräfte steigen permanent an, aufgrund der Entwicklung der Verschleißmarkenbreite und einer Deformation der stark belasteten Schneidenecke wurde der Prozess in diesem Fall vor Erreichen der Zielstandzeit abgebrochen.

Bei Betrachtung der zum Prozess mit den Schnittwerten vc = 70 m/min und f = 0,08 mm zugehörigen Spanformen und des Werkzeugverschleißes (Abbildung 5) bestätigen sich die in Abbildung 2 diskutierten Ergebnisse. Die entstehenden Späne sind von vorteilhafter Form und können problemlos aus der Bohrung abtransportiert werden, der Werkzeugverschleiß fällt moderat aus.

Zusammenfassung

Insgesamt konnte gezeigt werden, dass durch angepasste Zerspanwerkzeuge die Bearbeitbarkeit eines schwer zerspanbaren, hochfesten bainitischen Stahls prozesssicher und produktiv ausgelegt werden kann. Im Vergleich zu weniger festen Vergütungs- oder AFP-Stählen ist zunächst mit einem erhöhten Werkzeugverschleiß zu rechnen. Dies ist aufgrund der höheren Zugfestigkeit bainitischer Stähle unabdingbar. Durch eine Anpassung der im jeweils betrachteten Verfahren relevanten Schnittwerte, beispielsweise Schnittgeschwindigkeit, Vorschub oder Schnitttiefe, lässt sich diesem Effekt entgegenwirken. Da dies jedoch jeweils mit einer Verringerung des Zeitspanvolumens bzw. der Produktivität einhergeht, kann dies im Sinne einer wirtschaftlichen Fertigung nicht das Mittel der Wahl sein. Die dargestellten Untersuchungen zeigen deutlich, dass durch den Einsatz von auf den anspruchsvollen Anwendungsfall angepassten Werkzeugen die wirtschaftliche Bearbeitung bainitischer Stähle möglich ist. Die Bohrbearbeitung des Werkstoffs 20MnCrMo7 war mit vergleichsweise hohen Schnittwerten möglich, wobei die verfahrenstypische hohe Bohrungsqualität gewährleistet werden konnte.

Förderungshinweis

Das IGF-Vorhaben 16939 N der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Abschlussberichtes kann nach Projektende bei der FSV, Goldene Pforte 1, 58093 Hagen, angefordert werden.

Literatur

1 Bargel, H.-J.; Hilbarns, H.; Hübner, K.-H.; Krüger, O.; Schulze, G.: Werkstoffkunde. 9. bearbeitete Auflage, 2005, Berlin, Springer-Verlag

2 Klümper-Westkamp, H.: Kontrolliertes Bainitisierentrumpft in puncto Wirtschaftlichkeit auf. MM – Maschinenmarkt, 114 (2010) 24, S. 58-61

3 Langner, H.; Beyer, C.; Engineer, S.; Franke, A.; Hölzl, H.; Janßen, P.: A new high strength steel 20MnCrMo7. SCT, International Conference on Steels in Cars and Trucks, 2008, Düsseldorf, Verlag Stahleisen

4 Biermann, D.; Felderhoff, F.; Engineer, S.; Justinger, H.: Machinability of high-strength bainitic steel 20MnCrMo7. SCT2011 – Future trends in steel development, processing technologies and applications, 2011, Düsseldorf, Verlag Stahleisen

5 VDI-Richtlinie 3208: Richtwerte für das Tiefbohren mit Einlippenbohrern. 1996, Berlin, Beuth-Verlag

6 Felderhoff, F.: Prozessgestaltung für das Drehen und Tiefbohren schwefelarmer Edelbaustähle. Dissertation TU Dortmund, 2011, Essen, Vulkan Verlag

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