nach oben
Schneidstoffe und Beschichtungen - Schneidstoffe

Generelle Anforderungen an Schneidstoffe

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 239,99
ISBN: 978-3-446-43699-2
S. 97

Am Schneidkeil treten starke mechanische, thermische und chemische Belastungen auf. Diesen muss der Schneidstoff gewachsen sein. Daher ist die Auswahl eines geeigneten Schneidstoffes eine wesentliche Voraussetzung zur Lösung einer Zerspanaufgabe.

Der Schneidstoff muss einerseits die Zerspankräfte dauerhaft übertragen können und andererseits muss der Verschleiß des Werkzeugs hinreichend niedrig sein. Der Verschleiß des Werkzeuges wird einerseits durch einen Verschleißwiderstand gegen kontinuierlichen Materialabtrag bestimmt, andererseits durch eine Verformung unter thermischem Einfluss („Schneidenhaltigkeit“). Insbesondere der Verschleißwiderstand eines Werkzeuges ist eine auch stark vom Gegenwerkstoff beeinflusste Größe. Auch die Temperaturwechselfestigkeit ist ein wesentliches Kriterium.

Die dauerhafte Übertragbarkeit der Bearbeitungskräfte ist insbesondere bei schlanken monolithischen Werkzeugen ein wesentliches Auswahlkriterium für den Schneidstoff, während bei bestückten Werkzeugen der Verschleißwiderstand stärker im Mittelpunkt der Auswahl stehen kann.

Oft müssen zur Betrachtung einer dieser Anwendergrößen mehrere der klassischen, einen Werkstoff beschreibenden Größen wie Härte (= Widerstand gegen plastische Verformung), Steifigkeit (= Widerstand gegen elastische Verformung), Zähigkeit (= Widerstand gegen Rissausbreitung), Schwingfestigkeit, Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit oder thermische Ausdehnung in Kombination herangezogen werden. Die Reaktivität mit dem zu zerspanenden Werkstoff unter Einsatztemperatur ist als Systemgröße sehr schwer gewinnbar.

Idealerweise sollten diese Größen nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei der im Einsatz am jeweiligen Ort der Beanspruchung herrschenden Temperatur bekannt sein. Diese ist jedoch nicht direkt zugänglich und muss daher simulativ angenähert werden. Auf Grund vieler notwendiger Vereinfachungen, wie z. B. der Rechnung mit flächigem Kontakt der Reibungspartner an Stelle des real vorliegenden Kontaktes in Rauhigkeitsspitzen, werden jedoch auch die simulativ erhaltenen Temperaturen geringer sein als die real vorliegenden. Es wurde gezeigt, dass Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts des zu zerspanenden Materials auftreten können; insbesondere dann, wenn die Wärmeleitfähigkeit der Oberfläche des Werkzeuges gering ist [1,2].

Relevant ist die Temperaturfrage insbesondere für die Beurteilung des Verschleißwiderstands sowie der Schneidhaltigkeit, die im Wesentlichen von der Warmhärte beeinflusst wird.

Während die Festigkeit, insbesondere der linear-elastisch beschreibbaren Werkstoffe, wesentlich von der Risszähigkeit sowie der Größe von Gefügedefekten (unter optimalen Bedingungen gleich der maximalen Korngröße im Gefüge) abhängt und die Steifigkeit nur vom Elastizitätsmodul, sind andere Eigenschaften nur über Kombinationen mehrerer Messgrößen beschreibbar.

Für den Verschleißwiderstand W spröder Werkstoffe gegen abrasiven Verschleiß geben z. B. Wayne und Buljan unter Vernachlässigung chemischer Faktoren an:

wobei mit H die Härte des Werkstoffs in MPa und mit KIC die Risszähigkeit in MPam0,5 eingesetzt werden muss [3]. Das Fehlen systematischer Untersuchungen zu den Proportionalitätsfaktoren, die Abhängigkeit der Exponenten von der Zähigkeit des Materials sowie die Nichtbetrachtung chemischer Effekte setzen dieser Beschreibung in der Anwendung jedoch noch enge Grenzen. Wichtig ist jedoch die Erkenntnis, dass der Verschleißwiderstand nicht nur auf die Härte zurückgeführt werden darf. Weiterhin wird deutlich, dass der Verschleißwiderstand nicht durch thermisch bedingten Härteverlust sinken muss, solange er durch entsprechenden Zähigkeitsgewinn kompensiert wird.

Eine weitere über eine Kombination mehrerer Messgrößen zugängliche Anwendungseigenschaft ist die Temperaturwechselfestigkeit TWB, die z. B. einen Anhalt bietet, ob ein Werkstoff unter Flüssigkeitskühlung einsetzbar ist oder nur unter Trockenbearbeitungsbedingungen.

wobei λ die Wärmeleitfähigkeit, E der Elastizitätsmodul und α der thermische Ausdehnungskoeffizient ist.

Die bei den meisten Schneidstoffen hohe Sprödigkeit setzt der Gewinnung von belastbaren Festigkeitskennwerten ebenfalls Grenzen, so dass eine rechnerische Auslegung wegen fehlender Versagenskriterien meist nicht erfolgen kann.

Die maximalen Einsatztemperaturen der verschiedenen Werkstoffe erklären sich aus den Temperaturen, bei denen das Schneidenvolumen – nicht die Oberfläche – so plastisch wird, dass sie sich unter den mit diesen Materialien üblichen Schnittparametern verformt und die Schneide dabei erliegt. Die Oxidationsempfindlichkeit spielt hierbei eine geringe Rolle, solange die Oberfläche in direktem Kontakt mit dem Span bzw. der Werkstückwand ist, da hier kein Kontakt mit Sauerstoff erfolgt. Die Oxidationsempfindlichkeit wird interessant, sobald die Schneide mit ihrer Temperatur aus dem Schneidkontakt austritt und dann entweder mit dem Kühlmedium oder mit der Umgebungsluft in Wechselwirkung treten kann.

Moderne Schneidstoffe sind in den meisten Fällen Verbundwerkstoffe. Dieses sind Werkstoffe, die aus verschiedenen Phasen mit deutlich unterschiedlichen Eigenschaften bestehen. Es wird unterschieden zwischen Härteträgern und Zähigkeitsträgern. Da die Härteträger allein zu spröde wären, um einsetzbare Werkzeuge zu erhalten, werden diese in eine zähe Matrix eingebettet. Diese ermöglicht oft erst die wirtschaftliche Fertigung von Formkörpern aus den Härteträgern, begrenzt aber auch im Allgemeinen die Einsatztemperatur des Schneidstoffes.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 239,99
ISBN: 978-3-446-43699-2
S. 97
Literaturhinweis

[1] Bach, F. W.; Schäperkötter, M.: 3D and microstructural analysis of the chip formation during high speed cutting of C45E (AII1045). Z Metk. 95 (2004), S. 1031 – 1039.

[2] Abdel-Aal, H. A.; Nouari, M.; El Mansori, M.: Influence of thermal conductivity on wear when machining titanium. Trib. Int. 42 (2009), S. 359 – 372.

[3] Baldoni, J. G.; Wayne, S. F.; Buljan, S. T.: Cutting Tool Materials: Mechanical Properties – Wear-Resistance Relationships. Trib. Trans. 29 (1986), S. 347 – 352

Weiterführende Information
  • Schneidstoffe und Beschichtungen - Schneidstoffe

    Werkzeug- und Schnellarbeitsstähle

    Als Werkzeugstahl wird Stahl bezeichnet, der zur Fertigung von Werkzeugen, Formen und Normteilen zum Einsatz kommt. Schnellarbeitsstahl bezeichnet eine Gruppe legierter Werkzeugstähle mit bis zu 2,06 % Kohlenstoffgehalt und bis zu 30 % Anteil an Legierungselementen wie Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt, Nickel und Titan.   weiterlesen

  • Schneidstoffe und Beschichtungen - Schneidstoffe

    Hartmetalle und Cermets

    Hartmetalle und Cermets bestehen aus einem Skelett aus harten Karbiden oder Karbonitriden, die durch Bindemetalle, meist Kobalt oder Nickel, zusammengehalten werden. Charakteristisch für diese Werkstoffe sind die Härte und die Verschleißfestigkeit bei sehr hohen Temperaturen.   weiterlesen

  • Schneidstoffe und Beschichtungen - Schneidstoffe

    Schneidkeramiken

    Die Herstellung der meist auf Aluminiumoxid basierenden Schneidkeramiken erfolgt auf ähnliche Weise wie bei Hartmetallen. Jedoch kann die Schneidkeramik aufgrund der höheren Härte auch Werkstoffe zerspanen und Feinbearbeitungen ausführen, bei denen Hartmetalle versagen und teure Schneiddiamanten verwendet werden müssten.   weiterlesen

  • Schneidstoffe und Beschichtungen - Schneidstoffe

    Ultrahartstoffe (pcBN und PKD)

    Kubisches Bornitrid (pcBN) und polykristalliner Diamant (PKD) sind die härtesten bekannten Werkstoffe. PKD wird vor allem zum Schneiden von Holz, Kunststoffen, Graphit, Aluminium, gesättigten Karbiden oder oxidischen Keramiken eingesetzt. Kubisches Bornitrid weist gegenüber Diamant den Vorteil auf, dass es gegen karbidbildende Metalle eingesetzt werden kann.   weiterlesen

Diese Beiträge könnten Sie auch interessieren
Newsletter

Sie wollen immer top-aktuell informiert sein? Dann abonnieren Sie jetzt den kostenlosen Newsletter!

Hier kostenlos anmelden

Aktuellen Newsletter ansehen

Basics
Zur Übersicht aller Basics