Grundlegende Verschleißarten bei der maschinellen Fertigung im Überblick
Dieser Überblick behandelt die häufigsten Verschleißmuster an Zerspanungswerkzeugen, wie Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß, Aufbauschneiden, Schneidenausbrüche, Wärmerisse, plastische Deformation, Kerbverschleiß, Spanschlag und Schneidkantenbruch. Für jedes dieser Verschleißmuster werden mögliche Gegenmaßnahmen aufgezeigt, um ihre Auswirkungen auf den Bearbeitungsprozess zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Freiflächenverschleiß ist die bevorzugte Verschleißart, da er relativ vorhersehbar und zuverlässig ist und ein gut definiertes Verhältnis zwischen Verschleiß und erreichbarer Werkzeugstandzeit bietet. Ein zu schneller und intensiver Freiflächenverschleiß, der wie der klassische Freiflächenverschleiß auftritt, jedoch in sehr kurzer Zeit entsteht, kann allerdings problematisch sein.
Bei niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten sind Abrieb und Erosion die Hauptursachen für Freiflächenverschleiß. Harte mikroskopische Einschlüsse von Hartmetallen oder kaltverformten Werkstoffpartikeln, die in das Zerspanungswerkzeug eingreifen, führen dazu, dass kleine Stücke der Beschichtung abbrechen und in die Spanfläche schneiden. Dies verdrängt das Kobalt aus der Matrix und verringert die Haftung der Hartmetallkörner, wodurch diese ebenfalls abgetragen werden. Bei höheren Schnittgeschwindigkeiten hingegen dominiert Diffusionsverschleiß, da die höheren Temperaturen an der Schneidkante günstige Bedingungen für die Diffusion schaffen.
Freiflächenverschleiß zeigt sich als relativ gleichmäßiger Abrieb entlang der Schneidkante und tritt bei allen Materialien auf. Eine Schneidkante wird in der Regel aufgrund von Freiflächenverschleiß unbrauchbar, sofern nicht vorher eine andere Verschleißart eintritt.
Zur Minimierung von Freiflächenverschleiß kann z. B. die Schnittgeschwindigkeit gesenkt (in einigen Fällen kann auch der Vorschub erhöht werden), eine verschleißfeste, härtere Hartmetallsorte gewählt und Kühlmittel korrekt angewendet werden.
Abbildung 1 Werkzeugverschleiß – Freiflächenverschleiß.
Kolkverschleiß ist eine Kombination aus Diffusion und Zersetzung (höhere Schnittgeschwindigkeiten) und Abrasionsverschleiß (niedrigere Schnittgeschwindigkeiten). Die Wärme der Werkstoffspäne zersetzt die Wolframkarbid-Körnung des Substrats. Kohlenstoff sickert in die Späne (Diffusion), wobei sich „Vertiefungen“ in der Spanfläche der Wendeschneidplatte bilden. Durch Vergrößerung der Vertiefungen kann die Freifläche der Wendeschneidplatte abspanen oder schnellen Freiflächenverschleiß verursachen.
Kolkverschleiß nimmt auf der Spanfläche der Wendeschneidplatte die Form/das Aussehen eines Kraters oder einer Grube an. Kolkverschleiß ist vor allem bei der Bearbeitung abrasiver Werkstoffe oder Materialien mit harter Oberfläche sichtbar.
Um Kolkverschleiß zu minimieren, ist es am besten, dicke Aluminiumoxid-Beschichtungen zu verwenden, Kühlmittel aufzutragen, eine freie Schneidgeometrie mit größerem Spanwinkel zu verwenden, die die Hitze reduziert, und Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe zu senken.
Abbildung 2 Werkzeugverschleiß – Kolkverschleiß.
Aufbauschneiden entstehen durch Materialaufschweißungen an der Schneidkante, wenn im Schneidbereich eine chemische Affinität, hoher Druck und ausreichende Temperatur zusammenkommen. Diese Aufschweißungen brechen schließlich ab und reißen dabei Teile der Schneidkante mit sich, was zu Schneidenausbrüchen und schnellem Freiflächenverschleiß führt.
Aufbauschneiden erscheinen als glänzende Materialreste an der Ober- oder Seite der Schneidkante und hinterlassen kleine Gruben oder Krater auf der Spanfläche des Werkzeugs, was letztlich zum Absplittern der Schneidkante führt. Sie treten häufig in sehr elastischen Materialien wie Nichteisen-Metallen, Superlegierungen und rostfreien Stählen auf, besonders bei niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben.
Um Aufbauschneiden zu vermeiden, sollten die Schnittgeschwindigkeit und/oder die Vorschubrate erhöht werden, eine Wendeschneidplatte mit schärferer Geometrie und glatter Spanfläche gewählt und das Kühlmittel mit erhöhter Konzentration richtig eingesetzt werden.
Abbildung 3 Werkzeugverschleiß – Aufbauschneide.
Schneidenausbrüche entstehen durch mechanische Instabilität oder Risse im Schneidstoff und treten häufig infolge von Vibrationen im Werkstück, der Werkzeugmaschine oder dem Werkzeug selbst auf. Harte Einschlüsse im Werkstoff sowie Schnittunterbrechungen können lokale Spannungskonzentrationen verursachen, die Risse und Schneidenausbrüche zur Folge haben. Diese Ausbrüche erscheinen als kleine Stücke, die aus der Schneidkante herausgebrochen sind, und treten oft in nicht ausreichend stabilen Bearbeitungssituationen auf. Werkstoffe mit harten Partikeln, wie ausscheidungsgehärtete Materialien, begünstigen ebenfalls das Absplittern der Schneidkante.
Um Schneidenausbrüche zu minimieren, sollten die Werkzeugmaschineneinstellungen optimiert und die mechanische Belastung reduziert werden. Der Einsatz von zäheren Hartmetallsorten und einer robusteren Schneidkantengeometrie sowie die Verringerung des Vorschubs, insbesondere beim Eintritt oder Austritt des Werkzeugs, und die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit können ebenfalls helfen, Schneidenausbrüche zu verhindern. (Siehe auch Maßnahmen gegen Aufbauschneiden.)
Abbildung 4 Werkzeugverschleiß – Schneidenausbruch.
Wärmerisse entstehen durch eine Kombination aus thermischer Wechselbeanspruchung (schwankende Temperaturen in der Schneidkante), thermischen Belastungen (Temperaturunterschiede zwischen warmen und kalten Zonen der Schneidkante) und mechanischen Belastungen. Diese Risse verlaufen entlang der Schneidkante und führen letztlich dazu, dass sich Hartmetallstücke lösen und die Schneide ausbricht. Wärmerisse treten häufig beim Fräsen und beim Drehen mit unterbrochenen Schnitten auf. Auch ein unregelmäßiger Kühlmittelfluss kann zur Bildung von Wärmerissen beitragen.
Um Wärmerisse zu verhindern, können verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, wie die korrekte Anwendung von Kühlmittel, die Auswahl einer hartmetallsorte mit höherer Kammrissbeständigkeit, die Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs, die Verwendung einer freischneidenden Geometrie mit größerem Spanwinkel zur Hitzereduktion sowie die Anpassung des Bearbeitungsverfahrens (Verhältnis von Eingriffszeit zu Zeit außerhalb des Schnitts).
Abbildung 5 Werkzeugverschleiß – Wärmerisse.
Thermische Überbelastung ist die Hauptursache für plastische Deformation. Bei übermäßiger Hitze wird das Hartmetall-Bindemittel (Kobalt) weich, was dazu führt, dass die Schneidkante unter mechanischer Belastung verformt wird oder absinkt. Dies kann schließlich zu Schneidkantenbruch oder schnellem Freiflächenverschleiß führen.
Plastische Deformation zeigt sich durch eine verformte Schneidkante, die oft schwer von Freiflächenverschleiß zu unterscheiden ist und daher sorgfältig beobachtet werden muss.
Plastische Deformation tritt vor allem bei hohen Schneidtemperaturen auf, verursacht durch hohe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, sowie bei Werkstoffen mit hoher Festigkeit, wie harte Stähle, kaltverformte Oberflächen oder Superlegierungen.
Mögliche Gegenmaßnahmen umfassen die korrekte Anwendung von Kühlmittel, die Reduzierung von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, die Verwendung einer Wendeschneidplatte mit größerem Spitzenradius und die Wahl einer härteren, verschleißfesteren Hartmetallsorte.
Abbildung 6 Werkzeugverschleiß – Plastische Deformation.
Kerbverschleiß entsteht, wenn die Oberfläche eines Werkstücks härter oder abrasiver ist als das darunterliegende Material. Dies kann durch Oberflächenhärtung während früherer Schnitte (wie bei kaltverformten Werkstoffen, rostfreiem Stahl und Superlegierungen) oder durch geschmiedete oder gegossene Oberflächen mit Zunder verursacht werden. Diese Bedingungen führen zu einem schnelleren Verschleiß der Schneidkante an der Stelle, an der sie die harte Schicht berührt. Die resultierende lokale Spannungskonzentration kann ebenfalls zu Kerbverschleiß führen. Wenn die Schneidkante mit dem Werkstoff in Kontakt steht, entsteht Druckspannung; dort, wo die Schneidkante keinen Kontakt hat, tritt diese Spannung nicht auf. Dies führt zu einer starken Belastung der Schneidkante an der Schnitttiefenlinie. Auch Stöße, wie harte Mikroeinschlüsse im Material oder leichte Unterbrechungen, können Kerbverschleiß verursachen.
Um Kerbverschleiß zu minimieren, kann die Vorschubrate reduziert und die Schnitttiefe bei mehreren Durchgängen variiert werden. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bei der Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen (was mehr Freiflächenverschleiß zur Folge hat) und die Wahl einer härteren Hartmetallsorte sind ebenfalls sinnvoll. Zudem empfiehlt sich die Verwendung einer Spanbruchgeometrie für hohe Vorschübe, um Aufbauschneiden zu vermeiden, besonders bei rostfreien und hitzebeständigen Legierungen.
Abbildung 7 Werkzeugverschleiß – Kerbverschleiß.
Spanschlag tritt auf, wenn sich Späne in die Schneidkante eindrehen und auf den ungenutzten Teil der Schneidkante aufschlagen. Dies kann zum Bruch eines Schneidkantenabschnitts führen, der nicht aktiv am Schnittprozess beteiligt ist. Das Risiko von Spanschlag erhöht sich bei Arbeiten mit hohen Vorschubraten und großen Schnitttiefen.
Um Spanschlag zu vermeiden, können die Vorschubrate und die Schnitttiefe angepasst, der Schneidkantenwinkel verändert, eine geeignete Spanbruchgeometrie gewählt und eine härtere Hartmetallsorte verwendet werden.
Abbildung 8 Werkzeugverschleiß – Spanschlag.
Jede Übersicht über grundlegende Verschleißmuster sollte auch den Schneidkantenbruch berücksichtigen. Ein plötzlicher Bruch der Schneidkante ist kein typisches Verschleißmuster, sondern ein unerwünschtes und gefährliches Ereignis, das durch unsachgemäßen Werkzeugeinsatz verursacht wird. Ein Schneidkantenbruch deutet darauf hin, dass die Zerspanungsbedingungen so gewählt wurden, dass die mechanischen Belastungen die Schneidkante übermäßig beanspruchen. Um dies zu vermeiden, sollten niedrigere Zerspanungsparameter (insbesondere Schnitttiefe und Vorschub) gewählt oder eine robustere Schneidkante (z. B. eine härtere Hartmetallsorte oder eine stärkere Geometrie) eingesetzt werden. In einigen Fällen kann auch eines der genannten Verschleißmuster die Schneidkante so stark geschwächt haben, dass sie den Belastungen nicht mehr standhält. Ein frühzeitiger Werkzeugwechsel kann hier Bruchschäden verhindern.
Abbildung 9 Werkzeugverschleiß – Schneidkantenbruch.
Die Beschreibungen des Werkzeugverschleißes konzentrieren sich auf visuelle Anzeichen, jedoch gibt es auch andere Hinweise auf den Verschleißzustand der Schneidkante, die darauf hindeuten können, dass ein Austausch des Werkzeugs erforderlich ist.
- Ein plötzlicher Werkzeugbruch ist ein untrügliches Zeichen dafür, dass das Schneidwerkzeug ersetzt werden muss. Verschleißbedingte Brüche können auftreten, wenn nicht alle Faktoren ausreichend berücksichtigt werden. Bei systematischen Werkzeugbrüchen sollte die Bearbeitung gestoppt und gründlich analysiert werden. Dies deutet darauf hin, dass die Belastungen auf die Schneidkante nicht im Gleichgewicht mit der Belastbarkeit des Werkzeugs stehen. In solchen Fällen sollte entweder der Vorschub reduziert oder eine robustere Schneidkante gewählt werden.
- Der Fingernageltest ist eine einfache Methode zur Beurteilung des Werkzeugzustands. Aufbauschneiden oder Beschädigungen sind möglicherweise nicht sofort sichtbar, können aber mit dem Fingernagel spürbar gemacht werden. Es ist wichtig, solche Schäden während des Betriebs zu minimieren.
- Änderungen im Geräuschpegel während der Bearbeitung können auf Verschleiß hinweisen. Hochfrequente oder scharfe Geräusche deuten oft auf ungünstige Zerspanungsbedingungen hin.
- Späne, die während der Bearbeitung ihre Form oder Farbe ändern, können darauf hindeuten, dass sich die Schneidkante verändert, was auf fortschreitenden Verschleiß hinweist.
- Ein Rückgang der Oberflächenrauheit der bearbeiteten Teile kann ebenfalls ein Zeichen dafür sein, dass die Schneidkante gewechselt werden muss, da das Ende der Werkzeugstandzeit erreicht ist.
- Steigender Stromverbrauch oder vermehrte Vibrationen während des Bearbeitungsprozesses sind ebenfalls Anzeichen für Verschleiß.
Werkzeugverschleiß ist der Prozess, bei dem sich der Zustand eines Fertigungswerkzeug zunehmend verschlechtert und das Werkzeug allmählich die erwartete Leistungsfähigkeit verliert. Werkzeugverschleiß kann als Alterungsverschleiß, plötzlich auftretende Phänomene wie Bruch und als chemische Wechselwirkungen zwischen Werkstoff und Schneidstoff auftreten.
Alterungsverschleiß ist ein Prozess fortschreitender Oberflächenschäden, der zur Entfernung von Material von einer oder beiden von zwei festen Oberflächen im Festkörperkontakt führt, der auftritt, wenn diese beiden festen Oberflächen im Geleit- oder Rollkontakt unter Umgebungsbedingungen von Druck und Temperatur stehen.
Dieser Überblick über grundlegende einzigartige Verschleißmuster bietet grundlegende Gegenmaßnahmen, um mit Werkzeugverschleiß umzugehen, der für den Maschinisten in Form oder Entwicklungsgeschwindigkeit inakzeptabel ist.
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