Analyse der Außenlängsdreh- und Einlippentiefbohrbearbeitung hochfester bainitischer und vergüteter Stähle

Hartmann, H.

Infolge der stetig wachsenden Anforderungen an Bauteile der Automobilindustrie kommt es vermehrt zum Einsatz hochfester Stahlwerkstoffe, die eine höhere Einsatzbelastung bei Beibehaltung der Lebensdauer oder die Nutzung von Downsizing-Effekten ermöglichen. Stähle mit bainitischem Gefüge stellen dabei aufgrund ihrer vorteilhaften Kombination aus hoher Festigkeit und Zähigkeit eine gut geeignete Alternative zu bisher eingesetzten Vergütungs- und ausscheidungshärtenden ferritisch-perlitischen Stählen dar. Im Vergleich zu Vergütungsstählen kann darüber hinaus der zeit- und kostenintensive Wärmebehandlungsvorgang Anlassen vermieden werden. Infolge der hohen Festigkeit bainitischer Stähle ergeben sich Herausforderungen bezüglich einer wirtschaftlichen spanenden Bearbeitung, welche einen elementaren Anteil an den Gesamtfertigungskosten einnimmt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Analyse der Zerspanung verschiedener hochfester bainitischer Stähle im Vergleich zu bekannten und vielfach eingesetzten Vergütungsstählen. Durch die Betrachtung der weit verbreiteten Verfahren Außenlängsdrehen und Einlippentiefbohren werden grundlegende und auf reale Fertigungsprozesse übertragbare Ergebnisse generiert. Werkstoffseitig werden zwei Vergütungs- und zwei bainitische Stähle untersucht. Zusätzlich erfolgt eine Betrachtung des Gefügeeinflusses bei identischer chemischer Werkstoffanalyse und ähnlicher Festigkeit. Zu den prozessseitig variierten Parametern zählen die Werkzeuggestaltung, der Schneidstoff, die Schnittwerte und das Kühlkonzept. Als Beurteilungskriterien werden wichtige Kenngrößen wie die mechanische Werkzeugbelastung, der Werkzeugverschleiß, die Spanbildung, die Oberflächengüte oder die Beeinflussung der Werkstückrandzone betrachtet. Bei der Drehbearbeitung bestätigt sich die im Vergleich zum weniger festen Vergütungsstahl ungünstigere Zerspanbarkeit hochfester bainitischer Stähle, die sich insbesondere in einem deutlich stärkeren Werkzeugverschleiß bemerkbar macht. Eine Variation des Kühlkonzepts konnte nicht zur Verringerung des Verschleißes genutzt werden. Durch eine Anpassung der Schnittwerte konnte ebenso eine Erhöhung der Standzeit erreicht werden, wie durch eine Stabilisierung der Werkzeugschneide bei gleichzeitiger Verwendung eines verschleißbeständigeren Schneidstoffs. Auch beim Einlippentiefbohren ergaben sich deutliche Standzeitunterschiede im Vergleich zum als Referenzwerkstoff gewählten Vergütungsstahl. Hier konnte ein neuartiges Werkzeugkonzept zur produktiven und prozesssicheren Bearbeitung hochfester bainitischer Stähle genutzt werden. Dieses ist insbesondere durch eine Dreiteilung der üblicherweise in zwei Abschnitte aufgeteilten Schneide charakterisiert. Die Untersuchungen zeigen für zwei wichtige spanende Bearbeitungsverfahren Möglichkeiten auf, die Zerspanung hochfester bainitischer Stähle wirtschaftlich zu gestalten. Neben einer Anpassung der Schnittwerte hat sich insbesondere eine Optimierung der Werkzeuggestaltung als zielführend erwiesen. Die Erkenntnisse konnten auf einen realen Serienprozess übertragen werden.

Veröffentlicht als

Dissertation, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2016, ISBN 978-3-8027-8788-1