Esslingen 28 01 09
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HSC, HPC, Hartbearbeitung, Trockenbearbeitung, Minimalmengenschmierung PowerPoint PPT Presentation


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Esslingen, 28.01.09. HSC, HPC, Hartbearbeitung, Trockenbearbeitung, Minimalmengenschmierung. Handreichung Zerspanungsmechaniker. Lernfeld 10: Optimieren des Fertigungsprozesses Richtwert 100 h

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HSC, HPC, Hartbearbeitung, Trockenbearbeitung, Minimalmengenschmierung

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Presentation Transcript


Esslingen, 28.01.09

HSC, HPC, Hartbearbeitung, Trockenbearbeitung, Minimalmengenschmierung


Handreichung Zerspanungsmechaniker

  • Lernfeld 10: Optimieren des Fertigungsprozesses

  • Richtwert 100 h

  • Schüler planen Bearbeitungsstrategien, optimieren den Werkzeugeinsatz, beurteilen die Wirtschaftlichkeit.........

  • Die Handreichung enthält ausgearbeitete Lernsituationen, Unterrichtsabläufe, Tafelbilder und Arbeitsblätter (auch für den BTW-Unterricht).

  • Die Unterrichtsentwürfe beziehen sich auf die Trockenbe-arbeitung, die Minimalmengenschmierung, die Hartbearbeitung und und die HSC-Bearbeitung.

  • Es werden hierbei auch Lernsituationen (Geschäftsprozesse) aus dem Werkzeugbau verwendet.


Lehrplan Werkzeugmechaniker

  • Lernfeld 5:Formgeben von Bauelementen (Wirtschaftlichkeit der ausgewählten Fertigungsverfahren, Produktqualität........)

  • Lernfeld 9:Herstellen von formgebenden Werkzeugober-flächen (Schüler fertigen formgebende Werkzeugoberflächen durch Verfahren der spanenden und abtragenden Bearbeitung. Sie diskutieren alternative Lösungsmöglichkeiten, Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsverfahren..........)

  • Lernfeld 10: Fertigen von Bauelementen in der rechnerge-stützen Fertigung(CAD/CAM-Systeme)

  • Lernfeld 11: Herstellen der technischen Systeme des Werk-zeugbaus


Einordnung der Begriffe: HSC, HPC, Hart-, Trockenbearbeitung, MMS

  • Die aufgeführten Verfahren können nicht immer getrennt be-trachtet werden. Sie kommen oft in Kombination zum Einsatz.

  • Ausnahme HSC- und HPC-Bearbeitung


Einsatz der Verfahren im Werkzeugbau

  • Die Verfahren werden hauptsächlich im Formen- und Gesenkbau zur Erzeugung „formgebender Oberflächen“ eingesetzt.

  • Der Einsatz der Verfahren ist stark abhängig, ob geschruppt, vorgeschlichtet oder geschlichtet wird.

  • Zudem ist der Wärmebehandlungszustand (geglüht, vergütet, oder gehärtet) entscheidend.

  • Aufmaße sind von wesentlicher Bedeutung.


Werkzeug Firma Kekeisen


HSC-Bearbeitung


HSC-, HPC-, Bearbeitung

  • HPC „High Performance Cutting“ (Hochleistungsbearbeitung)

  • HSC „High Speed Cutting“ (Hochgeschwindigkeitsbearbeitung)

  • Bei der HPC-Bearbeitung ist das Zeitspanvolumen von her-ausragender Bedeutung. Das Verfahren stellt somit eher einen Schruppvorgang dar.

  • Bei der HSC-Bearbeitung spielt die erzeugte Oberflächengüte und die geringe Werkzeugabdrängung eine wesentliche Rolle. Dieses Verfahren stellt daher eher einen Schlichtvorgang dar.

  • Beide Verfahren können in der Hart- und Trockenbearbeitung eingesetzt werden


Torusfräser

Kugelfräser


Trockenbearbeitung


Probleme bei herkömmlicher Kühlschmierung

  • Beim Einsatz von HSS-Fräswerkzeugen wurde früher vor allem eine Wasser-in-Öl-Emulsion oder Schneidöle verwendet.

  • Bei der Verwendung von modernen Hartmetallfräswerkzeugen mit neuen Verschleißschutzschichten wird mit sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten zerspant, was bewirkt, dass in der Schnittzone Temperaturen bis 900 C° auftreten.

  • Eingesetzte Kühlmittel würden, auf Grund der hohen Umfangsgeschwindigkeit der Schneide, nicht bis in die Schnittzone vordringen und somit nur die nicht im Eingriff befindlichen Schneiden kühlen.

  • Die thermische Wechselbelastung der Scheiden würde verstärkt, was sich negativ auf die Standzeit auswirken würde.

  • Deshalb geht der Trend in Richtung Trockenbearbeitung.


Trockenbearbeitung

  • Bei Verwendung thermisch isolierender Verschleißschutz-schichten wird ein Großteil, der bei der Zerspanung entstehenden Wärme, über den Span abgeleitet.

  • Für ein reibungsloses Entfernen der Späne wird oft Druckluft verwendet, die auch gekühlt sein kann.

  • Unter ökologischen und wirtschaftlichen Gründen wird die Trockenbearbeitung zudem bevorzugt. (siehe Diagramm)


Kostenanteile bei der Fertigung von Leichtmetallteilen:


Minimalmengenschmierung


Minimalmengenschmierung (MMS)

  • Bei weichen Aluminium-Knetlegierungen kann eine Aufbau-schneide entstehen.

  • Dies kann durch eine Minimalmengenschmierung (MMS) verhindert werden.

  • Von Minimalmengenschmierung als Quasi-Trockenbearbeitung spricht man bei einem Schmiermittelverbrauch kleiner 50ml pro Stunde.

  • Schmiermittel wird in Druckluft gelöst und gelangt als Aerosol an das Werkzeug auch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten.


MMS-System mit interner Schmierung:


Hartbearbeitung


Bedingungen für die Hartbearbeitung

  • Einsatz von leistungsfähigen Werkzeugen und Beschichtungen

  • Werkzeuge mit speziell angepasster Schneidengeometrie und Beschichtung

  • Optimiertes Bearbeitungsumfeld (Werkzeug/ Werkstückspan-nung, Frässtrategie)

  • Bestmögliche Rundlaufgenauigkeit

  • Hohe Steifigkeit beim Spannen der Werkzeuge (Schrumpffutter)

  • Hohe Steifigkeit der Werkzeuge (Vollmaterialwerkzeuge)

    Bearbeitung von Werkstoffen bis 65 HRC


Prinzipdarstellung des zirkularen Nutenfräsens in gehärtetem Stahl:


Wahl geeigneter Schnittparameter

  • Bei der Wahl geeigneter Schnittparameter unterscheidet man drei verschiedene Fälle:

  • Besäumen

  • Nutenfräsen

  • Kontur fräsen (Anwendung bevorzugt im Formen- und Gesenkbau)


Konkrete Aufgabenstellung


Werkzeugstahl X33 CrS16 ≥ 1100 N/mm²


Arbeitsauftrag:Wählen Sie zur HSC-Hart-Trockenbearbeitung der gezeigten Blasformen entsprechende Werkzeuge und Werkzeugaufnahmen zum Schlichten, Vorschlichten und Schruppen.


Bearbeitungsumfeld bei der HSC-, Trocken-, und Hartbearbeitung

  • Maschine

  • Spannmittel

  • Werkzeuge

  • Schneidstoffe

  • Beschichtungen


Anforderungen an Maschinen

  • Hohe Drehzahlen

  • Hohe Steifigkeit, schwingungsdämpfend

  • Hohe Leistung

  • Hohe Dynamik, große Vorschübe

  • 5-Achs-Steuerung ist von Vorteil


Aufnahmen und Futter

  • Werkzeugaufnahmen stellen das Bindeglied zwischen Werkzeugmaschine und Werkzeug dar.

  • Werkzeugaufnahmen haben die Aufgabe, das eingesetzte Werkzeug sicher und präzise zu spannen und die entstehenden Kräfte an die Werkzeugmaschine abzuleiten. Hieraus resultieren folgende Anforderungen.

    - hohe Rundlaufgenauigkeit

    - gute Dämpfungseigenschaften

    - hohe Steifigkeit

    - sichere Spannung, auch bei hohen Drehzahlen


Verbindung zwischen Werkzeug und Spindel

  • Hohlschaftkegel haben gegenüber Steilkegeln Vorteile

  • Bessere axiale Positionierung

  • Keine Verformungen bei hohen Drehzahlen


Hohlschaftkegel


Verbindung zwischen Aufnahme und Werkzeug

  • Folgende Werkzeugaufnahmen kommen bei der HSC-Bearbeit-ung zum Einsatz:

    - Schrumpfaufnahmen

    - Hydrodehnspannfutter

    - Spannfutter mit Spannzangensystem gemäß DIN 6499


Hydrodehn-Werkzeugaufnahme

  • Zum hochgenauen Spannen von Bohr-, Reib-, Fräs-, und Gewindewerkzeugen.

  • Es sind hohe Drehzahlen möglich.

  • Für die Schwerzerspanung ist das System weniger geeignet, da Schwingungen auftreten können. Zudem besteht Auszugs-gefahr.

  • Rundlaufgenauigkeit: = 0,003mm


Schrumpfaufnahmen

  • Das Erwärmen der Aufnahme geschieht im Schrumpfgerät induktiv.

  • Die Zeit zum Einschrumpfen beträgt ca. 10 Sekunden. Die Abkühlzeit beträgt beim Einsatz eines Werkzeug-Schnelkühl-gerätes ca. 40 Sekunden.

  • Schrumpfaufnahmen sind hochgenau und sehr steif. Sie sind daher für die HSC-Bearbeitung bestens geeignet.

  • Aufgrund der schlanken Bauweise können sie im Formen- und Gesenkbau auch für tiefe Kavitäten eingesetzt werden

  • Rundlaufgenauigkeit: = 0,003mm


Werkzeugaufbau

  • Die im Formen- und Gesenkbau eingesetzten Werkzeuge lassen sich in folgende Hauptklassen unterteilen:

    - Vollmaterialwerkzeuge

    - Werkzeuge mit wechselbaren Schneidelementen


Vollmaterialwerkzeuge

  • Werden aus einem Werkstoffrohling durch spanende Bearbeit-ung (meist Schleifen) hergestellt.

  • Typische Vertreter sind HSS-, Vollhartmetall-, CERMET- und Keramikfräser.

  • Vollhartmetallwerkzeuge zeichnen sich durch eine hohe Steifig-keit und durch eine hohe Rundlauf und Geometriegenauigkeit aus.

  • Aufgrund der höheren Steifigkeit und der damit verbundenen geringeren Schwingungsanfälligkeit erzielen sie deutlich höhere Standwege und ausgezeichnete Oberflächenqualitäten. Im Formen- und Gesenkbau werden sie hauptsächlich zum Schlichten eingesetzt.


Werkzeuge mit wechselbaren Schneidelementen

  • Schneidelemente sind im Werkzeuggrundhalter lösbar eingesetzt

  • Bei Verschleiß können die Schneidelemente problemlos ausgetauscht werden

  • Grundhalter sind meist aus hochvergüteten Stählen

  • Bei der Befestigung mittels Feingewindeschraube treten Zugspannungen im Schneideneinsatz auf, was bei sprödharten Schneidstoffen zum Bruch führen kann

  • Spannfinger sind hierbei besser geeignet, da sie großflächiger spannen (full-face-Platte)

  • Beim Auftreten unkontrollierter Schneidenausbrüche oder spontanen Werkzeugbrüchen sind solche Werkzeuge wegen geringerer Instandsetzungskosten wirtschaftlicher einsetzbar.


Werkzeuge mit wechselbaren Schneidelementen

  • Die Nachgiebigkeit im Vergleich zu Vollmaterialwerkzeugen vermindert die Gefahr von spontanen Werkzeugbrüchen.

  • Aufgrund dieser Vorzüge werden im Formen- und Gesenkbau diese Werkzeuge hauptsächlich zum Schruppen eingesetzt

  • Durch Einsatz von Schwermetalllegierungen als Schaftmaterial lassen sich die Standwege wesentlich erhöhen.

  • Bei der HSC-Bearbeitung sind Werkzeuge mit wechselbaren Schneideneinsätzen besonders dann geeignet, wenn als Schaftmaterial ein besonders steifer Werkstoff zum Einsatz kommt.


Anforderungen an Schneidstoffe und Beschichtungen

  • Hohe Wärmebeständigkeit

  • Hohe chemische Beständigkeit

  • Geringe Wärmeleitfähigkeit

  • Geringe Reibwerte

  • Hohe Zähigkeit


Hartmetalle

  • Für die HSC-Hartbearbeitung im Werkzeug und Formenbau hat Hartmetall einen hohen Verbreitungsgrad.

  • Die Härte, Zähigkeit und Temperaturbeständigkeit kann bei Hartmetallen gezielt abgestimmt werden.

  • Durch ein gezieltes Mischen von Karbiden und Bindemetall lassen sich die Eigenschaften auf die jeweiligen Bearbeitungs-aufgaben anpassen.

  • Bei höchsten Anforderungen werden Feinstkorn oder Ultra-feinstkornhartmetalle eingesetzt (Karbidgröße unter 1µm, bis 0,2 µm)


Polykristallines kubische Bornitrid(PKB/CBN)

  • PKB weist von allen Schneidstoffen die beste Warmfestigkeit auf. Dies führt zu einem überragenden Einsatzverhalten bei gehärteten Stählen.

  • PKB eignet sich jedoch nicht für weiche ferritische und austenitische Stähle (Werkstoffhärte > 55 HRC) und kann aus diesem Grund nur für die reine Hartbearbeitung eingesetzt werden.

  • PKB-Werkzeuge reagieren sehr empfindlich auf Veränderung der Eingriffsbedingungen und insbsondere auf Schwingungen. Bei der Bearbeitung von komplexen Formteilen lassen sich wechselnde Eingriffsbedingungen kaum vermeiden.


Polykristallines kubische Bornitrid(PKB/CBN)

  • PKB lässt sich nur bei sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten vc < 500m/min wirtschaftlich einsetzen. Dies ist bei bei kleinen Werkzeugdurchmessern aufgrund beschränkter Spindeldreh-zahlen oft nicht realisierbar.

  • Im Werkzeug- und Formenbau beschränkt sich der Einsatz von PKB deshalb auf eine begrenzte Zahl von Anwendungen.


Weitere Schneidstoffe

  • Keramiken beschränken sich bei der HSC-Bearbeitung auf-grund der sehr hohen Sprödigkeit hauptsächlich auf den konti-nuierlichen Schnitt bzw. auf die Bearbeitung von Sonderlegier-ungen z.B. hitzebeständige Nickelbasislegierungen.

  • Cermets können nur zur Schlichtbearbeitung eingesetzt werden. Sie besitzen gegenüber Hartmetall eine höhere Oxidations- und Diffusionsbeständigkeit, eine geringere Neigung zur Aufbau-schneide, eine höhere Warmfestigkeit und ein günstigeres Thermoschockverhalten. Nachteilig ist jedoch ihre deutlich höhere Sprödigkeit.


Beschichtungen

  • Titannitrid-Schichten (TiN), goldene Farbe

  • Titan-Carbonid-Schichten (TiCN)

  • Titan-Aluminiumnitrid-Schichten (TiAlN)

  • Gleitschichten (MoS2, WC/C..)

  • Diamantschichten

  • CBN-Schichten


Beschichtungen

  • Bei der Hart- und Trockenbearbeitung werden hauptsächlich TiCN und vor allem TiAlN-Schichten eingesetzt.

  • TICN-Schichten zeichnen sich durch besonders hohe Härte und Zähigkeit aus.

  • TiAlN-Schichten besitzen neben einer nur geringfügig geringer-en Härte als TICN eine bessere thermische Beständigkeit und eine bessere Isolierwirkung. Daher eignen sich einlagige TiAlN-Schichten besonders für die HSC-Hart- und Trocken-bearbeitung.

  • Mehrlagenschichten weisen geringere Härte, dafür aber höhere Zähigkeit auf. Sie wirken sich günstig auf Spannungsverhältnis-se innerhalb der Schichten aus und eignen sich daher auch für unerbrochene Schnitte.

  • Die TiAlN-Schichten können zusätzlich mit einer Gleitschicht versehen sein


Drei Doppellagen TiN/TiCN


Mehrlagige TiCN/TiAlN-Schicht


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