Analyse der thermischen Belastung beim Wendelbohren unter Einsatz verschiedener Schneidkantengestalten mithilfe der Thermografie

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Stand der Technik
2.1 Bohren, Senken, Reiben
2.1.1 Bohrverfahren
2.1.1.1 Gestalt des Wendelbohrers
2.1.1.2 Mechanische Belastung am Wendelbohrer
2.1.1.3 Thermische Belastung am Wendelbohrer
2.1.1.4 Schneidkantengestalt und Kantenpräparation
2.2 Stahlwerkstoffe
2.2.1 Grundlagen
2.2.2 Vergütungsstähle
2.2.3 Nichtrostende Stähle
2.3 Temperaturmessung beim Bohren
2.3.1 Strahlungsmessung
2.3.2 Fehlerursachen

3. Experimentelle Randbedingungen
3.1 Bearbeitungszentrum
3.2 Werkzeuge
3.3 Werkstücke
3.4 Messtechnik und Analysemethoden
3.4.1 Infrarot-Thermografie
3.4.2 Rasterelektronenmikroskopie
3.4.3 Schneidkantenvermessung

4. Versuchsdurchführung
4.1 Messung der Emissionsgrade
4.2 Kameraaufbau
4.3 Bearbeitungsablauf

5. Versuchsbeobachtungen
5.1 Bearbeitungseinheit 1
5.2 Bearbeitungseinheit 2
5.3 Bearbeitungseinheit 3
5.4 Bearbeitungseinheit 4
5.5 Bearbeitungseinheit 5
5.6 Bearbeitungseinheit 6
5.7 Bearbeitungseinheit 7
5.8 Bearbeitungseinheit 8

6. Auswertung
6.1 Einfluss der Schneidkantenverrundung
6.2 Einfluss der Schnittparameter und der Werkstoffe

7. Ausblick

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Einteilung der Fertigungsverfahren

Abbildung 2.2: Bohrverfahren

Abbildung 2.3: Schneidengeometrie eines Wendelbohrers

Abbildung 2.4: Zerspankraftkomponenten am Wendelbohrer

Abbildung 2.5: Energie- und Wärmeverteilung an der Werkzeugschneide]

Abbildung 2.6: Unterschiede in den Schneidkantengeometrien trotz gleichem Radius

Abbildung 2.7: Wesentliche Schneidkantengeometrien

Abbildung 2.8: Funktionsweise des Strahlens

Abbildung 2.9: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm

Abbildung 2.10: Überblick der Temperaturmessverfahren

Abbildung 2.11: Messanordnung einer Infrarot-Thermografie

Abbildung 3.1: Bearbeitungszentrum BZ 40 CS

Abbildung 3.2: 14 mm (oben) und 8,5 mm (unten) Bohrwerkzeuge

Abbildung 3.3: Unlackierte und lackierte Proben vor Einsatz

Abbildung 3.4: Rasterelektronenmikroskop Mira 3

Abbildung 3.5: Rasterelektronenmikroskopaufnahmen eines geschliffenen Bohrers mit 8 mm Durchmesser

Abbildung 3.6: Streifenlichtmikroskop GFM MikroCAD

Abbildung 4.1: Anordnung der thermographischen Strahlungsmessung

Abbildung 4.2: Emissionsgrade in Abhängigkeit von der Temperatur

Abbildung 4.3: Kameraaufbau

Abbildung 5.1: Temperaturverläufe BE 1

Abbildung 5.2: Thermografieaufnahme WZ 1

Abbildung 5.3: Thermografieaufnahme WZ 14

Abbildung 5.4: Temperaturverläufe BE 2

Abbildung 5.5: Temperaturverläufe BE 3

Abbildung 5.6: Temperaturverläufe BE 4

Abbildung 5.7: Temperaturverläufe BE 5

Abbildung 5.8: Temperaturverläufe BE 6

Abbildung 5.9: Temperaturverläufe BE 7

Abbildung 5.10: Temperaturverläufe BE 8

Tabellenverzeichnis

Tabelle 3.1: Chemische Zusammensetzung [Dew1, Dew2]

Tabelle 3.2: Materialkennwerte, längs, Durchmesser < 16 mm [Dew1, Dew2]

Tabelle 3.3: Technische Daten der Thermografiekamera ImageIR8300 [Inf2]

Tabelle 4.1: Ermittelte Emissionsgrade

Tabelle 4.2: Zuordnung der Werkzeuge

Tabelle 5.1: Prozessparameter BE1

Tabelle 5.2: Schneidkantenverrundungen BE 1

Tabelle 5.3: Prozessparameter BE 2

Tabelle 5.4: Schneidkantenverrundungen BE 2

Tabelle 5.5: Prozessparameter BE3

Tabelle 5.6: Schneidkantenverrundungen BE3

Tabelle 5.7: Prozessparameter BE4

Tabelle 5.8: Schneidkantenverrundungen BE 4

Tabelle 5.9: Prozessparameter BE5

Tabelle 5.10: Schneidkantenverrundungen BE 5

Tabelle 5.11: Prozessparameter BE 6

Tabelle 5.12: Schneidkantenverrundungen BE 6

Tabelle 5.13: Prozessparameter BE7

Tabelle 5.14: Schneidkantenverrundungen BE 7

Tabelle 5.15: Prozessparameter BE 8

Tabelle 5.16: Schneidkantenverrundungen BE 8

Tabelle 6.1: Reihenfolge der Maximaltemperaturen

Tabelle 6.2: Reihenfolge der Maximaltemperaturen hoch verrundeter Werkzeuge und ihre Schnittwerte und Werkstoffe

Tabelle 6.3: Reihenfolge der Maximaltemperaturen gering verrundeter Werkzeuge und ihre Schnittwerte und Werkstoffe

Tabelle 6.4: Reihenfolge der Maximaltemperaturen geschliffener Werkzeuge und ihre Schnittwerte und Werkstoffe

Formelverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Ein wesentlicher Faktor für eine erfolgreiche spanende Fertigung ist der wirtschaftliche Einsatz der zur Verfügung stehenden Ressourcen. Moderne Werkstoffe stellen hohe Anforderungen an die Betriebsmittel, gleichzeitig sollen Fertigungsprozesse effektiver gestaltet werden. Bohrverfahren, wie das Wendelbohren, kommen bei der Fertigung vieler Bauteile zum Einsatz und gehören dadurch zu den essentiellen Fertigungsverfahren. Gerade bei weit verbreiteten Verfahren bieten sich Optimierungen der Verfahrensparameter an, da der wirtschaftliche Nutzen umso größer ist.

Die wesentlichen Kriterien die an das Wendelbohren gestellt werden, sind die Wirtschaftlichkeit, die Qualität der Bauteile und die Prozesssicherheit. Alle drei Kriterien werden maßgeblich durch die Schneidkantengestalt der Bohrwerkzeuge beeinflusst, daher bietet sich hier das größte Optimierungspotential an. Schneidkanten von Bohrwerkzeugen müssen vor allem durch ausgeprägte Verschleißbeständigkeit hervorstechen, um die genannten Kriterien zu erfüllen. Grundlegend für diese experimentelle Untersuchung ist die Annahme, dass die Temperaturen an der Schneidkante eines im Einsatz befindlichen Bohrwerkzeugs Rückschlüsse auf das Verschleißverhalten ermöglichen. Zur Messung der Temperaturen wird oftmals die Infrarot-Thermografie eingesetzt, die berührungslos arbeitet und weit verbreitet ist.

Im Zuge dieser Projektarbeit werden Werkstücke aus dem Vergütungsstahl 42CrMo4+QT und Werkstücke aus dem austenitischen nicht-rostenden Stahl X2CrNiMo17-12-2 mit Bohrwerkzeugen unterschiedlicher Schneidkantengestalt zerspant. Alle Bauteile verfügen über eine zylindrische Form, die dem Spitzenwinkel der Bohrer entspricht, so dass beide Schneiden des Werkzeugs gleichzeitig aus dem Bauteil treten. Die Schneidkanten unterscheiden sich in ihren Verrundungen. Es kommen folgende drei Schneidkantenverrundungen zum Einsatz: geschliffen, gering verrundet und hoch verrundet. Des Weiteren wird der Durchmesser der Bohrwerkzeuge variiert von d=14mm zu d=8,5mm. Im Vorfeld der Untersuchungen werden alle eingesetzten Bohrer einer Schneidkantenvermessung mittels Lasertriangulation unterzogen und stichprobenweise durch Rasterelektronenmikroskopie auf Beschädigungen untersucht. Die Versuche werden so durchgeführt, dass der Zeitpunkt des Austritts des Bohrers aus dem Werkstück mit der Thermografiekamera festgehalten und anschließend untersucht wird.

Ziel dieser Ausarbeitung ist es fundierte Zusammenhänge zwischen der Schneidkantengestalt und der Temperatur der Schneidkante im Prozess herzuleiten, um so Beurteilungen zum Verschleißverhalten anstellen zu können.

2. Stand der Technik

Das folgende Kapitel behandelt die Grundlagen, welche zum allgemeinen Verständnis der dargelegten Arbeit benötigt werden. Dabei wird insbesondere auf die Grundlagen von Bohrprozessen in der spanenden Bearbeitung von Stahlwerkstoffen mit einem besonderen Fokus auf das Wendelbohren, auf Stahlwerkstoffe im Allgemeinen und mit einem detaillierten Blick auf austenitische Stähle, auf Vergütungsstähle sowie auf Temperaturmessungen durch Infrarotmesstechnik eingegangen und ein Bezug zum aktuellen Stand der Technik hergestellt.

2.1 Bohren, Senken, Reiben

In DIN8589Teil2 wird das Fertigungsverfahren Bohren als Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung, wobei die Drehachse des Werkzeuges und die Achse der zu erzeugenden Innenfläche identisch sind, definiert. Die Vorschubbewegung verläuft ausschließlich in Richtung dieser Achse. Die Drehachse ist werkzeug- und werkstückgebunden: Die Achse der Schnittbewegung behält demnach ihre Lage zum Werkzeug unabhängig von der Vorschubbewegung bei. Aufgrund der identischen Kinematik beim Trennvorgang werden die drei Zerspanungsverfahren Bohren, Senken und Reiben zu einer Hauptgruppe zusammengefasst (Abbildung2.1). Senken ist Bohren zur Erzeugung von senkrecht zur Drehachse liegenden Planflächen oder symmetrisch zur Drehachse liegenden Kegel- und Formflächen. Reiben ist Aufbohren mit geringer Spanungsdicke zur Erhöhung der Oberflächengüte [DIN8589_2].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Einteilung der Fertigungsverfahren [DIN8589_2]

2.1.1 Bohrverfahren

Die wesentlichen Verfahrensvarianten zeigt Abbildung2.2. Man unterscheidet zwischen den folgenden Verfahren: Plansenken, Planeinsenken, Bohren ins Volle, Kernbohren, Aufbohren, Rundreiben (Reiben), Gewindebohren, Profilbohren ins Volle, Profilaufbohren, Profilsenken, Profilreiben und Unrundbohren [DIN8589_2].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Bohrverfahren [DIN8589_2]

In dieser Arbeit wurde ausschließlich das Verfahren Bohren ins Volle angewendet, sodass auf die übrigen Bohrverfahren nicht weiter eingegangen wird.

Bohren ins Volle gehört zu der Gruppe des Rundbohrens und stellt das am häufigsten eingesetzte Bohrverfahren dar. Man unterscheidet hier zwischen Durchgangs- und Grundlochbohrungen. Problematisch ist, dass die Schnittgeschwindigkeit zum Bohrerzentrum hin auf Null absinkt. Dem zur Folge schneidet die Werkzeugschneide den Werkstoff in diesem Bereich nicht sondern verdrängt diesen durch Umformen. Das Resultat sind erhöhte Vorschubkräfte [Wes02]. Weitere verfahrensbedingte Besonderheiten beim Bohren ins Volle sind der komplizierte Späneabtransport, das Reiben der Führungsfasen an der Bohrungswand sowie der erhöhte Verschleiß an der Schneidenecke [Tön04]. Es gibt verschiedene Arten des Werkzeugaufbaus. Hierzu zählen Bohrköpfe auf Rohrsystemen zur Kühlmittelführung für das Tiefbohren, Einlippenbohrer, einschneidige Bohrer mit besonderen Führungsleisten, Spitzbohrer mit symmetrischen Schneiden und insbesondere Wendelbohrer [DIN8589_2].

2.1.1.1 Gestalt des Wendelbohrers

Der Wendelbohrer wird unter allen Bohrwerkzeugen am häufigsten genutzt und besitzt somit einen hohen Stellenwert in der Spanenden Fertigung. Er trägt diesen Namen aufgrund seiner wendelförmigen Spannuten. Dieses Bohrwerkzeug bietet eine große Vielfalt an Ausführungen, die individuell an den jeweiligen Anwendungszweck, insbesondere dem zu zerspanenden Werkstoff, ausgelegt sind. Unterschieden werden sie nach Art des Schneidstoffes, Form des Schaftes, der Länge des Schneidenteils, der Wendelung, der Spannutenform und der Schneidengestalt. In dieser Arbeit wurden ausschließlich zweischneidige Wendelbohrer aus Vollhartmetall genutzt, sodass der Aufbau exemplarisch an dieser Ausführung erläutert wird [Pau08].

Abbildung2.3 zeigt einen zweischneidigen Wendelbohrer nach DIN5419 mit allen relevanten Benennungen. Der Wendelbohrer besteht aus einem, in diesem Fall zylindrischen, Schaft und dem Werkzeugkörper, der im Schneidenteil mit den beiden Hauptschneiden und der Bohrerspitze mündet. Der Werkzeugkörper mit den Spannuten dient im wesentlichen dem Abführen der Späne, während der Schaft der Aufnahme des Bohrers im Spannfutter und der Übertragung von Drehmomenten dient. Die Bohrspitze erbringt die tatsächliche Zerspanleistung [DIN5419, Tön04]. Die Führungsfasen bestimmen maßgeblich den Bohrerdurchmesser. Ihre Hauptaufgabe besteht darin den Bohrer während des Bohrprozesses zu führen, sodass sie für das Erlangen einer optimalen Bohrungsqualität enorm wichtig sind [Kul08, Tsc07]. Auch die Gestalt der Spannuten hat einen großen Einfluss auf die Bohrungsqualität. Sie bestimmen maßgeblich die Eigenschaften des gesamten Bohrwerkzeuges hinsichtlich Belastbarkeit bei Torsion und Biegung, die Güte des Spanabtransports, die Zerspankräfte sowie die Spanumformung und den Spanbruch. Der Spanabtransport kann durch eine Vergrößerung der Spannuten zum Schaft hin verbessert werden [Fuj11, Kam00, Moh00].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Schneidengeometrie eines Wendelbohrers [DIN5419]

Das Bohrerzentrum ist häufig mit einem in DIN1412 genormten Spitzenanschliff, der die Bohrerschneiden bildet, versehen. Die Spitzung teilt die Schneide in eine primäre und eine sekundäre Hauptschneide. Der Bohrer weist abhängig vom Anschliff eine über das Zentrum verlaufende Querschneide auf. Je nach Anschliff und Verjüngung des Bohrers zum Schaft hin nehmen am Zerspanungsprozess neben den Hauptschneiden und der Querschneide auch noch Bereiche der Führungsfasen in Form von Nebenschneiden teil. Der Vorschub bestimmt dabei den Eingriff der Nebenschneiden. Somit entsteht ein kontinuierlicher Schnitt. Die dabei entstehende Wärme kann schlechter weggeführt werden, als bei anderen Zerspanprozessen mit definierter Schneide [Dro87]. Eine weitere verfahrensbedingte Besonderheit ist, dass die Schnittgeschwindigkeit entlang der Schneide nicht konstant ist. So weisen Wendelbohrer an den Schneidenecken die größte Schnittgeschwindigkeit auf, wohingegen sie im Zentrum auf Null fällt. Zusätzlich ist auch der Spanwinkel entlang der Schneide veränderlich. So weist der Spanwinkel an der Schneidenecke ebenfalls seinen Maximalwert auf und fällt zum Bohrzentrum hin ab. Im Übergangsbereich zur Querschneide wird der Wert negativ [Kön02]. Diese Besonderheit äußert sich in unterschiedlichen Reibleistungen und thermischen Belastungen entlang der Schneide. Zusätzlich haben die unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten einen maßgeblichen Einfluss auf die ungleich wirkenden Zerspanungskräfte. Während der Bereich der Schneidenecke von hohen Relativgeschwindigkeiten und daraus resultierenden erhöhten thermischen Belastungen geprägt ist, weist das Zentrum geringe Relativgeschwindigkeiten auf und damit einher Druckspannungen, die sich in Reib- und Quetschvorgängen äußern. [Ter11, Ris06, Tön04, Kön02].

2.1.1.2 Mechanische Belastung am Wendelbohrer

Die Umformprozesse während des Zerspanens verursachen Kräfte und Momente. Die wirkenden Prozesskräfte hängen von der Werkzeuggestalt, den Schnittwerten und dem zu zerspanendem Werkstoff ab.

Abbildung2.4 zeigt die am Wendelbohrer wirkenden Zerspankraftkomponenten und den Kraftverlauf über dem Bohrradius. Während des Bohrens setzt sich die Zerspankraft F vektoriell aus der tangential wirkenden Schnittkraft Fc, der axial wirkenden Vorschubkraft Ff und der radial wirkenden Passivkraft Fp zusammen [DIN6580]. Die drei Zerspankraftkomponenten setzen sich wiederum aus einem Haupt- und Querschneidenanteil sowie einem Anteil aus Fasen- und Spanreibung zusammen [Spu60]. Es ist nicht möglich die Schnittkraft direkt zu messen, sodass diese mit Hilfe des Drehmomentes Mc berechnet wird. Das Drehmoment besteht aus der Schnittkraft, ihrem Hebelarm und der Anzahl der Anteil nehmenden Schneiden. Anhand von Abbildung2.4 wird ersichtlich, dass entlang der Schneide ungleich große Zerspanungskräfte vorherrschen. Der Grund dafür ist die in Kapitel 2.1.1 erwähnte Besonderheit bei Wendelbohrern, dass die Schnittgeschwindigkeit und der Spanwinkel entlang der Schneide veränderlich sind. Vom Bohrzentrum nach außen steigen die Schnittgeschwindigkeit und der Spanwinkel an. Die Fasen- und Spanreibung wirkt außen am Hebelarm am größten, sodass die Schnittkraft nicht exakt in der Mitte angreift, sondern mit dem Abstand H von der Bohrerachse zum Kraftangriffspunkt. Analysen von Pauksch und Spur ergaben für den Abstand H Werte zwischen und . Für annähernd genaue Rechnungen kann der Wert verwendet werden. Die Vorschubkräfte entstehen an Haupt- und Querschneide und werden maßgeblich durch die Werkstofffestigkeit und den Spanwinkel bestimmt. Der größte Teil der Vorschubkraft wirkt an der Querschneide. Der Wert kann bei bis zu 60 % liegen. Der Anteil an der Querschneide kann mit Hilfe von Anschliffen, wie dem Kreuzanschliff, oder anderen Maßnahmen wie dem Vorbohren, verringert werden [Pau08]. Die radial nach innen wirkenden Passivkräfte heben sich im Idealfall aufgrund der Punktsymmetrie des Werkzeugzentrums auf und haben somit keinen Einfluss auf das Werkzeug oder das Werkstück. In der Praxis werden allerdings ungleich große Passivkräfte erzeugt, die indirekt zu Biegebeanspruchungen des Bohrwerkzeuges führen. Häufig liegen die Gründe dafür in Asymmetrien verursacht von Fehlern im Spitzenanschliffs oder ungleich verteilten Verschleißerscheinungen an den Werkzeugschneiden [Fuj11].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Zerspankraftkomponenten am Wendelbohrer nach Risse und Pauksch [Ris06, Pau08, Spu60]

2.1.1.3 Thermische Belastung am Wendelbohrer

Während des Zerspanvorganges wird der größte Teil der aufgewendeten mechanischen Energie fast vollständig in Wärmeenergie umgewandelt [Kro54, Moh00]. Diese umgewandelte Wärme wird von allen am Prozess beteiligten Partnern, wie dem Werkzeug, dem Werkstück und den Spänen aufgenommen, wobei die Verteilung zu ungleichen Teilen erfolgt. Oxidations- und Diffusionsvorgänge, die den Werkzeugverschleiß begünstigen, werden mit höheren Temperaturen beschleunigt, sodass es diese zu vermeiden gilt.

Im Zerspanprozess wird der Span durch plastische Umformung des Werkstoffs in der Scherzone stark erwärmt. Weitere Wärmequellen bilden die Reibungsbereiche zwischen Span und Spanfläche, sowie zwischen Freifläche und dem Bohrungsgrund [Kön02]. Die Scher- und die Reibzonen am Werkzeug bilden somit die wesentlichen Wärmequellen. Als Folge dieser Wärmeübertragung und Wärmeleitung bilden sich im Werkzeug und Werkstück entsprechende Temperaturfelder aus [War73]. Die Temperaturfelder verändern sich so lange, bis ein Gleichgeweicht zwischen der erzeugten und der abgeführten Wärmenergie entsteht [Kön02]. Das dabei entstehende Temperaturniveau an der Schneide hat einen großen Einfluss auf den Verschleiß am Werkzeug. Abbildung2.5 zeigt solch ein Temperaturfeld und gibt Aufschluss über die von Werkzeug, Werkstück und Span aufgenommen Wärmemengen. Hieraus wird ersichtlich, dass der größte Teil der Wärme mit ca. 75% über die Späne abgeleitet wird. 18-20% der Wärme wird an das Werkzeug abgegeben und die übrigen 5-7% verlaufen in das Bauteil.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Wärme und Temperaturverteilung an der Werkzeugschneide nach [Kro54, Vie59]

Vierrege stellte fest, dass die Schnittparameter einen wesentlichen Einfluss auf die Zerspanungstemperatur haben. So verbleibt, mit steigender Schnittgeschwindigkeit, ein zunehmender Anteil in den Spänen und entlastet somit maßgeblich das Werkzeug [Vie53].

2.1.1.4 Schneidkantengestalt und Kantenpräparation

Nach dem Schleifprozess ist die scharfe Schneidkante eines Bohrers mit zahlreichen Mikrodefekten versehen, wie Mikroausbrüchen, Grate und Oberflächenschäden, die einen wesentlichen Einfluss auf das Verschleißniveau des Werkzeugs haben und folglich zu einer Minderung der Bauteilqualität führen. Diesem Trend kann mittels Schneidkantenpräparation und insbesondere der Schneidkantenverrundung entgegen gewirkt werden. Die Präparationsverfahren erzeugen eine definierte Kantengestalt, wodurch die verursachten Mikrodefekte beseitigt werden [Tik09].

In DIN6582 wird die Schneidkantenverrundung als eine in etwa kreisförmige Verbindung von Span- und Freifläche definiert [DIN6582]. In der Praxis weicht die wirkliche Form von einem exakten Radius ab, da diese Form nur schwer zu verwirklichen ist. Außerdem können symmetrischen Schneidkantengeometrien mit gleichem Radius unterschiedliche Ausprägungen haben. Abbildung2.6 verdeutlicht diesen Sachverhalt [Den05]. Die eindeutige Bestimmung einer Verrundung gestaltet sich somit sehr mühsam, da nicht nur die Größe der Verrundung, sondern auch die Form von Bedeutung ist. Daher werden zur genaueren Charakterisierung der Geometrie die weiteren Größen eingeführt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Unterschiede in den Schneidkantengeometrien trotz gleichem Radius [Den05]

Abbildung 2.7 enthält diese Kenngrößen und klassifiziert zusätzlich die wichtigsten Hauptgeometrien. und stellen den Materialabtrag an der Span- beziehungsweise Freifläche dar. Geometrisch gesehen werden die Geraden an den beiden Flächen verlängert bis sie sich schneiden. Dieser Schnittpunkt bestimmt durch eine Verbindung die Länge von und , wobei den kürzesten Abstand der ideal scharfen zur abgerundeten Schneidkante darstellt. Der Formfaktor ist der Quotient aus den Materialabträgen an Span- und Freifläche und gibt die Orientierung der Kanteneverrundung an. So beschreibt der Formfaktor K=1 eine symmetrische Schneidkante. In Abbildung2.7 sind zwei Konturen auf der linken Seite zu sehen, wobei beim oberen Bild kleiner ist und es eine eher scharfkantige Schneide verursacht, wohingehen ein großes zu einer eher stumpfen Schneide führt. Ein Formfaktor K>1 beschreibt eine Verrundung die zur Freifläche geneigt ist, wohingegen ein Wert K<1 eine zur Spanfläche geneigte Verrundung darstellt. Nach Denkena sind asymmetrische Schneidkantenverrundungen mit einem Formfaktor K≠1 zu bevorzugen, da sie ein besseres Einsatzverhalten angesichts der auftretenden Werkzeugbelastungen zeigen [Den05].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Wesentliche Schneidkantengestalten [Den05]

Denkena stellte in experimentellen Untersuchungen zum Drehen fest, dass die Charakterisierungsparameter und K einen Einfluss auf das Verschleißverhalten haben. So besteht ein proportionales Verhältnis zwischen dem Materialabtrag an der Freifläche und den auftretenden Vorschub- und Passivkräften. Zudem führt ein hohes bei einem konstanten Formfaktor K zu einem verringertem Standweg [Den05].

Für die Kantenpräparation werden unterschiedliche Verfahren verwendet. In Abhängigkeit vom gewünschten Kantenradius werden im Wesentlichen drei Prozesse angewandt [Pau08]:

- Schleifen der Spanflächen für scharfe Kanten (r < 5 μm)
- Mikrostrahlen oder Gleitschleppschleifen der Span- und Freiflächen für mittlere Schneikantendradien (5 μm r 20 μm)
- Bürsten der Schneidkanten für große Schneidradien (r > 20 μm)

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ausschließlich das Verfahren Nassstrahlen angewendet, sodass auf die übrigen Kantenpräparationsverfahren nicht weiter eingegangen wird. Grundsätzlich werden Strahlverfahren für komplexe Schneidengeometrien angewendet [Pau08]. Abbildung2.8 veranschaulicht die generelle Funktionsweise des Nassstrahlens. Es erfolgt eine Beschleunigung von losen Abrasivkörner mit Hilfe eines Trägermediums in Richtung der zur bearbeitenden Oberfläche. Beim Auftreffen der Abrasivkörner kommt es zu einer Deformation geringer Teilbereiche am Substrat. Eine mehrmalige Wiederholung führt letztlich zum gewünschten Materialabtrag. Dabei ist der Abtrag hängt von der Strahlmittelsorte, dem Strahldruck, dem Strahlmitteldurchsatz, dem Auftreffwinkel sowie der Einwirkdauer ab [Wei05].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Funktionsweise des Strahlens [Wei05]

2.2 Stahlwerkstoffe

2.2.1 Grundlagen

Als Stahlwerkstoffe werden Eisenwerkstoffe bezeichnet, deren Kohlenstoffgehalt (C-Gehalt) unter 2,06% liegt. Stahl mit weniger als 0,8 %C-Gehalt wird als untereutektoider Stahl bezeichnet, Stahl mit mehr als 0,8% C-Gehalt zählt zu den übereutektoiden Stählen. Eisenwerkstoffe mit C-Gehalten über 2,06% werden den Gusseisenwerkstoffen zugeordnet. Die Eigenschaften der Stahlwerkstoffe werden durch ihre chemische Zusammensetzung sowie durch Wärmebehandlungen festgelegt. Stahlbegleiter (Si, Mn, S, P, O, N und H) und Spurenelemente (Sn, Cu, Nb, As und Sb) sind Stoffe, die bereits im Stahl enthalten sind oder durch den Hochofenprozess unbeabsichtigt zugeführt werden [Roo15, Bar12].

Die Wirkung des Kohlenstoffanteils auf Eisenwerkstoffe lässt sich dem Eisen-Kohlenstoff-Diagramm entnehmen. Für das binäre System Eisen-Kohlenstoff wird die Abhängigkeit der Phasenzusammensetzung vom C-Gehalt und der Temperatur dargestellt. Kohlenstoff ist das wichtigste Legierungselement der Eisenwerkstoffe und geringe Unterschiede im C-Gehalt bewirken eine entscheidende Veränderung der Werkstoffeigenschaften. Unterschiedliche Kohlenstofflöslichkeiten ergeben sich aus den verschiedenen Gitterformen des Eisens. In der Praxis wird vorwiegend das metastabile Fe-Fe3C-System betrachtet (Abbildung 2.9).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.9: Eisen-Kohlenstoff-Diagramm [Bar12]

Stahlwerkstoffe werden nach DINEN10027-1 in legierte und unlegierte Stähle unterteilt. Die Zuordnung zu den jeweiligen Gruppen richtet sich nach festgelegten Grenzwerten in DINEN10020, so gilt z.B. für unlegierten Stahl: Cr=0,30%, Mo=0,08% oder Ti=0,05%. Legierte Stähle überschreiten diese Grenzwerte. Die Zugabe von Legierungselementen erfolgt in definierten Gehalten, mit dem Ziel die Werkstoffeigenschaften zielgerichtet zu verändern. Die Einteilung der für die Mischkristallbildung genutzten Legierungselemente der legierten Stähle erfolgt in Ferritbildner (Cr–Al–Ti–Ta–Si–Mo–V−W) und Austenitbildner (Ni–C–Co–Mn−N). Die Eigenschaften unlegierter Stähle ergeben sich vorwiegend aus Menge, Art der Verteilung und Form der Carbide [Bar12].

Durch Wärmebehandlungen lassen sich Stahlwerkstoffe verschiedenen Eigenschaftsänderungen unterziehen. Hierzu zählen Glüh-, Härte- und Vergütungsverfahren. Glühverfahren dienen dazu Härte und Zugfestigkeit herabzusetzen, Eigenspannungen abzubauen und eine Verbesserung der Zähigkeit und Umformbarkeit zu erzielen. Alle Glühverfahren folgen in der Regel folgendem Schema: Erwärmen auf Glühtemperatur, Halten der Glühtemperatur und Abkühlen des Werkstoffs auf vorher festgelegte Temperatur. Die Kennwerte der einzelnen Schritte müssen dem gewünschten Endzustand und der beabsichtigten Gefügeänderungen angepasst werden. Des Weiteren sind sie abhängig von dem eingesetzten Glühverfahren. Härteverfahren folgen dem Ziel die dynamische und statische Festigkeit zu erhöhen und die Oberfläche des Werkstoffs härter sowie verschleißbeständiger zu machen. Der Prozess beginnt mit dem Erhitzen und dem Halten der Härtetemperatur und endet mit dem schnellen Abkühlen. Die erzeugten Eigenschaften hängen von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung ab. Ziel des Vergütens ist die Erhöhung der Festigkeit bei gleichzeitig besserer Zähigkeit. Unterschiede zum Härten liegen in der Zielsetzung und der erhöhten Anlasstemperatur von mindestens 450°C [Bar12,Roo15].

2.2.2 Vergütungsstähle

Vergütungsstähle sind untereutektoide Stähle und zählen zu den beruhigten Maschinenbaustählen, die den Edelstählen zugeordnet werden. Die Eigenschaften werden durch Vergüten, dem Härten und anschließendem Anlassen eingestellt. Grundvoraussetzung für die Zuordnung zu Vergütungsstählen ist die Eignung zum Härten, welche durch Legierungselemente erzielt wird. Des Weiteren sind die erreichbaren Festigkeiten abhängig von den Wanddicken der Stähle. Vergütungsstähle kommen bei dynamisch hoch beanspruchten Bauteilen zum Einsatz, vornehmlich im Maschinen- und Automobilbau [Bar12]. Es können Festigkeitswerte bis hin zu 1400MPa erreicht werden, bedingt durch vergleichsweise hohe C-Gehalte, wodurch allerdings die Schweißbarkeit sehr gering ist und Schweißen daher intensive Vor- und Nachbearbeitung erfordert. Zu den wichtigsten Legierungselementen zählen C, Mn, Ni, B, Cr und Mo. Cr und Mo verbessern deutlich die Härtbarkeit, Mn hingegen die Zähigkeitseigenschaften. In dieser Ausarbeitung werden Chrom-Molybdän-legierte Stähle in den Fokus gerückt.

2.2.3 Nichtrostende Stähle

Zur Gruppe der Edelstähle und zur Untergruppe der Maschinenbaustähle zählen nichtrostende Stähle. Sie sind gekennzeichnet durch C-Gehalte von unter 1,2% und Cr-Gehalte von mindestens 10,5% [Roo15]. Eine Unterteilung innerhalb der nichtrostenden Stähle ist anhand der Ni-Gehalte möglich, als Grenze dienen 2,5% Ni-Gehalt. Höhere Cr-Gehalte über 12%, das heißt oberhalb der Resistenzgrenze, führen zur Ausbildung von Oxidfilmen auf der Stahloberfläche und erhöhen deutlich die Korrosionsbeständigkeit. Für diesen, Passivierung genannten Vorgang, ist eine möglichst homogene Verteilung des Chroms innerhalb des Gefüges erforderlich [Bar12].

Austenitische Chrom-Nickel-Stähle sind unmagnetische und umwandlungsfreie, das heißt nicht glüh- und härtbare Stähle mit austenitischem Gefüge. Durch hohe Kaltverfestigung erreichen sie bei geringer Dehngrenze von Rp0,2 = 200MPa eine relativ hohe Zugfestigkeit von bis zu 900MPa. Die hohen Cr-Gehalte von über 12% bewirken eine Neigung zur Ausbildung von ferritischem Gefüge, austenitstabilisierende Legierungselemente wie zum Beispiel Ni wirken dieser entgegen. Niedrige C-Gehalte von circa C = 0,2% führen zu hohen Zähigkeiten, die Spanbarkeit der Stähle ist daher mittelmäßig [Dew08]. Hauptanwendungsbereiche sind der Maschinen- und Automobilbau [Bar12].

2.3 Temperaturmessung beim Bohren

Das Temperaturniveau an der Werkzeugschneide ist für die Verschleißentwicklung von immenser Bedeutung. Daher ist eine detailgetreue und aussagekräftige Messtechnik im Hinblick der Temperaturbestimmung während des Zerspanprozesses unabwendbar. Im Laufe der Zeit hat die praktische Zerspanungsforschung unterschiedliche Temperaturmessverfahren entwickelt, die das Ausmaß der thermischen Werkzeugbelastung erfassen können. Abbildung2.10 gibt einen Überblick über die beim Spanen zur Verfügung stehenden Verfahren. Die unterschiedlichen Messverfahren haben verschiedene Eigenschaften, die sich je nach Anwendungsfall mehr oder weniger eignen. Für die Bestimmung der Temperatur während des Zerspanprozesses sind lediglich die zeitauflösenden Messverfahren relevant, da bei den anderen Methoden, beispielsweise beim Beschichten mit temperaturempfindlichen Farben, der Zerspanungsprozess zu kurz ist um aussagekräftige Angaben machen zu können [Kön02]. Die Thermoelektrischen- und Strahlungsmessverfahren werden dabei überwiegend bei der Zerspanung eingesetzt [Ris06].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.10: Überblick der Temperaturmessverfahren [Kön02]

Thermoelemente ermöglichen ein direktes Messen einer Temperaturdifferenz, sofern die Verbindungspunkte zweier metallischen Stoffe verschiedene Wärmeleitfähigkeiten aufweisen. Strahlungsmessverfahren arbeiten dagegen indirekt beziehungsweise kontaktlos und erfassen somit auch schwierig erfassbare Messpunkte [Pau08]. Im Rahmen dieser Arbeit wurde während des Zerspanprozesses das Strahlungsmessverfahren Infrarot-Thermografie mittels einer Thermografiekamera genutzt, sodass auf dieses nachfolgend detailliert eingegangen wird.

2.3.1 Strahlungsmessung

Die berührungslosen Temperaturmessverfahren beruhen auf dem Effekt, dass jede Körperoberfläche mit einer Temperatur oberhalb des absoluten Nullpunktes (T=0K=-273,15°C) elektromagnetische Strahlung aussendet. Eine Komponente der Strahlung ist temperaturabhängig und heißt Temperaturstrahlung. Die Strahlungsmessverfahren wandeln die abgesandte Wärmestrahlung proportional zu ihrer Intensität in ein elektrisches Signal um. Durch Ermittlung ihrer Intensität ist es demnach möglich die Temperatur des ausstrahlenden Körpers durch Berechnung zu ermitteln [Inf09].

Dabei ist zu beachten, dass die in der Praxis untersuchten Körper über sehr unterschiedliche Strahlungseigenschaften verfügen. Deshalb wird für das bessere Verständnis ein Modellkörper mit idealen Strahlungseigenschaften genutzt. Die darauf geltenden Gesetzmäßigkeiten werden dann auf reale Körper angewendet [Inf09]. Der Modellkörper wird auch als schwarzer Strahler bezeichnet. Die Besonderheit des schwarzen Strahlers liegt darin, dass er im Vergleich zu anderen Körpern die größte Strahlungsintensität bei gleicher Temperatur absendet. Reale Körper beziehungsweise graue Strahler senden demnach weniger Wärmerstrahlung aus als schwarze Strahler, sodass in der Berechnung ein Parameter berücksichtigt werden muss: der Emissionsgrad . Der Emissionsgrad gibt Auskunft über die Strahlungsleistung eines realen Körpers und setzt diese ins Verhältnis zum schwarzen Strahler. Es gilt für den schwarzen Strahler und für den grauen Strahler Er wird durch die Materialzusammensetzung, der Oberflächenbeschaffenheit, der Temperatur und dem Wellenlängenbereich beeinflusst [Ris06]. Für die praktische Temperaturbestimmung werden neben dem Emissionsgrad noch weitere Parameter benötigt, die Auskunft über weitere strahlungsphysikalische Eigenschaften des Körpers geben. Der Absorptionsfaktor gibt Auskunft über die Fähigkeit zur Strahlungsaufnahme. Der Transmissionsfaktor ist eine Maßzahl der Strahlungsdurchlässigkeit des Körpers. Der Reflexionsfaktor beschreibt die Fähigkeit des Körpers zur Strahlungsspiegelung beziehungsweise Reflexion [Inf09]. Es gilt die Beziehung: Thermografie und Pyrometrie bilden die beiden Strahlungsmessverfahren. Pyrometrie ist die kontaktlose punktuelle Bestimmung der ausgesendeten Strahlung. Bei der Infrarot-Thermografie wird hingegen die vollständige Temperaturverteilung durch zahlreiche Messpunkte grafisch dargestellt und die unterschiedlichen Temperaturen werden verschiedenen Farben zugeordnet [Pau08]. Zur Veranschaulichung zeigt Abbildung2.11 schematisch die Messanordnung zur Infrarot-Thermografie am Beispiel eines Drehprozesses.

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