Im Rahmen dieser Arbeit wird das Verschleißverhalten verschiedener Schneidstoffe mit unterschiedlichen Werkzeuggeometrien bei der Zerspanung von Gusseisen mit Vermikulargraphit untersucht. Die Zerspanversuche werden im Außenlängsdrehen von GJV600 unter Variation der Schnittgeschwindigkeit durchgeführt. Es erfolgt eine Analyse der während des Bearbeitungsprozesses auftretenden Zerspankraftkomponenten, eine Betrachtung von REM-Aufnahmen der Spanflächen, eine Analyse der Elementverteilungen auf den Spanflächen mit dem EDX-System sowie eine Untersuchung von Diffustonensvorgängen mit der Mikrosonde. Zur Beurteilung der Spanbildung und des Einflusses der Bearbeitung auf die Werkstückrandzone werden Spanwurzeln erzeugt. Eine Ermittlung der Temperaturen in der Spanfläche erfolgt beim Orthogonal-Einstechdrehen von GJV550 und einem Vergleichswerkstoff GJL250.
Gute Standwege können mit Werkzeugen aus Aluminiumoxidkeramik und aus beschichtetem Hartmetall erreicht werden. Dabei ist beschichtetes Hartmetall eher für konventionelle Schnittgeschwindigkeiten geeignet, während Aluminiumoxidkeramik im Bereich der Hochgeschwindigkeitszerspanung einsetzbar ist. Durch das Verrunden der Schneidkante wird die erreichbare Schnittlänge von Werkzeugen aus Al2O3 weiter erhöht.
Der Verschleiß wird verursacht durch hohe mechanische bzw. abrasive Belastungen aufgrund der Inhomogenität des Werkstoffgefüges und der Graphitmorphologie unter-stützt durch die Schwächung der Schneidstoffe durch hohe Temperaturen beim Zerspanprozess und tribochemische Reaktionen bzw. Diffusionen, die wegen der fehlenden Ausbildung einer Sulfidschicht zwischen Werkzeug und Werkstoff ablaufen können. Außerdem kommt es zu einer mit der Schnittgeschwindigkeit ansteigenden Erhöhung der Mikrohärte in der plastisch verformten Randzone der Werkstücke. Bei der Bearbeitung von GJV mit Aluminiumoxidkeramik entstehen weiße Schichten auf den Spänen, die vermutlich eine hohe Härte besitzen und stark abrasiv wirken.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Zielsetzung und Vorgehensweise
3 Stand der Kenntnisse
3.1 Gusseisen mit Vermikulargraphit
3.1.1 Gefügeaufbau
3.1.2 Einfluss von Legierungselementen
3.1.3 Mechanische Eigenschaften
3.2 Grundlagen des Drehens
3.2.1 Bewegungen, Geometrie und Eingriffsgrößen beim Drehen
3.2.2 Spanbildung
3.2.3 Kräfte beim Drehen
3.2.4 Energieumsetzung
3.2.5 Verschleiß
3.2.6 Schneidstoffe
3.3 Zerspanbarkeit von Gusseisen
3.3.1 Gusseisen mit Kugelgraphit
3.3.2 Gusseisen mit Lamellengraphit
3.3.3 Gusseisen mit Vermikulargraphit
4 Versuchsdurchführung und -auswertung
4.1 Versuchswerkstoffe
4.2 Schneidstoffe
4.3 Versuchseinrichtungen
4.4 Messeinrichtungen
4.5 Verschleißuntersuchungen
4.6 Spanwurzeluntersuchungen
4.7 Temperaturermittlung in der Kontaktzone
5 Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen
5.1 Einsatzverhalten von unbeschichtetem Hartmetall HW
5.2 Einsatzverhalten von beschichtetem Hartmetall HC
5.3 Einsatzverhalten von kubisch kristallinem Bornitrid BN
5.4 Einsatzverhalten von Siliziumnitrid-Keramik CN
5.5 Einsatzverhalten von Aluminiumoxidkeramik CA
5.6 Einsatzverhalten von CA-R mit verrundeter Schneidkante
5.7 Vergleich der Schneidstoffe
5.8 Variation der Schnittgeschwindigkeit
5.8.1 Außenlängsdrehen mit HC bei vc = 200 m/min
5.8.2 Außenlängsdrehen mit CA bei vc = 200 m/min und vc = 1000 m/min
5.8.3 Vergleich der Standwege von HC und CA bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten
6 Ergebnisse der Spanwurzeluntersuchungen
6.1 Spanwurzelerzeugung mit Werkzeugen aus CA bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten
6.1.1 Spanbildung bei der Bearbeitung mit CA bei vc = 200 m/min
6.1.2 Spanbildung bei der Bearbeitung mit CA bei vc = 400 m/min
6.1.3 Spanbildung bei der Bearbeitung mit CA bei vc = 600 m/min
6.1.4 Spanbildung bei der Bearbeitung mit CA bei vc = 800 m/min
6.1.5 Spanbildung bei der Bearbeitung mit CA bei vc = 1000 m/min
6.1.6 Vergleich der Ergebnisse bei der Bearbeitung mit dem Schneidstoff CA bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten
6.2 Spanwurzelerzeugung mit Werkzeugen aus HC bei verschiedenen Schnittgeschwindigkeiten
6.2.1 Spanbildung bei der Bearbeitung mit HC bei vc = 200 m/min
6.2.2 Spanbildung bei der Bearbeitung mit HC bei vc = 600 m/min
6.2.3 Vergleich der Spanbildung bei der Bearbeitung mit HC
6.3 Spanwurzelerzeugung mit verschiedenen Werkzeuggeometrien bei vc = 600 m/min
6.3.1 Spanbildung bei der Verwendung von CA-R
6.3.2 Vergleich der Ergebnisse bei der Bearbeitung mit verschiedenen Werkzeuggeometrien bei vc = 600 m/min
7 Ergebnisse der Temperaturermittlung in der Spanfläche
7.1 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJV550 mit HC bei vc = 200 m/min
7.2 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJL250 mit HC bei vc = 200 m/min
7.3 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJV550 mit HC bei vc = 400 m/min
7.4 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJL250 mit HC bei vc = 400 m/min
7.5 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJV550 mit HC bei vc = 600 m/min
7.6 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJL250 mit HC bei vc = 600 m/min
7.7 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJV550 mit HC bei vc = 800 m/min
7.8 Temperaturen in der Spanfläche bei der Bearbeitung von GJL250 mit HC bei vc = 800 m/min
7.9 Vergleich der ermittelten Temperaturen
8 Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Ziel der Arbeit besteht darin, die Verschleißursachen beim Spanen von Gusseisen mit Vermikulargraphit zu ermitteln, um durch das Verständnis der Verschleißmechanismen die Entwicklung geeigneterer Schneidstoffe für die industrielle Fertigung zu unterstützen.
- Analyse des Verschleißverhaltens unterschiedlicher Schneidstoffe
- Einfluss der Werkzeuggeometrie auf den Zerspanprozess
- Untersuchung von Zerspankräften und Spanbildung
- Ermittlung von Temperaturen in der Kontaktzone
- Optimierung von Bearbeitungsparametern für GJV
Auszug aus dem Buch
3.1.2 Einfluss von Legierungselementen
Gusseisen mit Vermikulargraphit hat eine Tendenz, eine ferritische Matrix zu bilden. Durch die Zumischung von 1 % Kupfer und 0,1 % Zinn erzielt man eine vorwiegend perlitische (>95 %) Matrix. Neben Kupfer und Zinn gelten auch Antimon, Mangan und Chrom als Perlit-Stabilisatoren /DAWS99/.
Durch die Bildung von Mangansulfid bindet das Mangan außerdem den freien Schwefel, der ansonsten die mechanischen Eigenschaften des Gusseisens verschlechtern würde. Die Konzentration des Mangans im GJV beträgt üblicherweise 0,35 - 0,45 %. Erst wenn die Konzentration den zur Bindung des Schwefels nötigen Wert überschreitet, trägt das Mangan zur Bildung von Perlit bei /DAWS99/.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung erläutert die steigende Bedeutung von Gusseisen mit Vermikulargraphit in der Motorenfertigung und die Notwendigkeit, Verschleißmechanismen bei deren Zerspanung zu erforschen.
2 Zielsetzung und Vorgehensweise: Das Kapitel beschreibt das Ziel der Arbeit, Verschleißursachen zu identifizieren und erläutert die experimentelle Vorgehensweise mittels Drehen als Ersatzprozess.
3 Stand der Kenntnisse: Es werden Grundlagen zu Gusseisen mit Vermikulargraphit, Zerspanungsmechanismen, Werkzeugverschleiß und verschiedenen Schneidstoffen zusammengefasst.
4 Versuchsdurchführung und -auswertung: Beschreibung der verwendeten Werkstoffe, Schneidstoffe, Maschinen, Messeinrichtungen sowie der spezifischen Versuchsaufbauten für Verschleiß-, Spanwurzel- und Temperaturuntersuchungen.
5 Ergebnisse der Verschleißuntersuchungen: Detaillierte Darstellung des Verschleißverhaltens von unbeschichteten und beschichteten Hartmetallen, Bornitrid sowie Siliziumnitrid- und Aluminiumoxidkeramiken unter Variation der Schnittgeschwindigkeit.
6 Ergebnisse der Spanwurzeluntersuchungen: Analyse der Spanbildung und der Einflüsse von Schnittgeschwindigkeit sowie Werkzeuggeometrie auf Scherwinkel und Mikrohärte mittels Spanwurzelquerschnitten.
7 Ergebnisse der Temperaturermittlung in der Spanfläche: Auswertung der gemessenen und extrapolierten Temperaturen in der Kontaktzone beim Einstechdrehen verschiedener Gusswerkstoffe mit unterschiedlichen Parametern.
8 Zusammenfassung und Ausblick: Zusammenfassung der wesentlichen Erkenntnisse über das Verschleißverhalten der Schneidstoffe und Empfehlungen für künftige Entwicklungen zur Hochgeschwindigkeitszerspanung.
Schlüsselwörter
Gusseisen mit Vermikulargraphit, GJV, Zerspanung, Werkzeugverschleiß, Aluminiumoxidkeramik, Hartmetall, Schnittgeschwindigkeit, Standzeit, Spanbildung, Spanwurzel, Mikrohärte, Temperaturmessung, Drehen, Zerspankräfte, Gefügeaufbau.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Es geht um die Ermittlung der Verschleißursachen bei der Zerspanung von Gusseisen mit Vermikulargraphit (GJV), um bessere Grundlagen für die Werkzeugentwicklung zu schaffen.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Arbeit behandelt den Verschleiß verschiedener Schneidstoffe, die mechanische Belastung durch Zerspankräfte, thermische Einflüsse sowie die Gefügeänderungen im Werkstück.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Identifikation der Verschleißmechanismen, um Schneidstoffe für eine effizientere Bearbeitung von GJV-Zylinderblöcken in der Massenfertigung zu optimieren.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden Zerspanversuche beim Drehen durchgeführt, ergänzt durch REM-Aufnahmen, EDX-Analysen zur Elementverteilung, Schliffbildanalysen und Temperaturmessungen mit Thermoelementen.
Welche Aspekte stehen im Hauptteil im Fokus?
Im Hauptteil werden die Verschleißergebnisse der einzelnen Schneidstoffe, die Spanbildung durch Spanwurzeluntersuchungen und die Temperaturverhältnisse in der Kontaktzone detailliert ausgewertet.
Welche Keywords beschreiben die Arbeit am besten?
GJV, Zerspanbarkeit, Werkzeugverschleiß, Standzeit, Keramikschneidstoffe, Hartmetall, Schnittgeschwindigkeit, Spanbildung, thermische Belastung.
Warum wurde GJV600 als Versuchswerkstoff gewählt?
GJV600 ist ein moderner Werkstoff für Motorblöcke, bei dem die Bearbeitung bisher zu hohen Standzeitverlusten im Vergleich zu konventionellem Grauguss führt.
Welche Rolle spielt Aluminiumoxidkeramik (CA) in den Ergebnissen?
Aluminiumoxidkeramik zeigt sich besonders geeignet für die Hochgeschwindigkeitszerspanung, wobei eine verrundete Schneidkante die erzielbare Schnittlänge zusätzlich steigern kann.
- Citation du texte
- Tobias Schäfer (Auteur), 2001, Ermittlung der Verschleißursachen beim Spanen von Vermikularguss, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/186023
