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maschine+werkzeug 09/2011

Glänzend geglättet

Titel

Baublies – Mit den Diamant-Glättwerkzeugen von Baublies lassen sich filigrane Werkstücke und Konturen mit sehr kleinen Geometrien bearbeiten, für die der Einsatz von Rollierwerkzeugen häufig nicht in Frage kommt.

Diamant-Glätten an thermisch gespritzten Manganhartstahl-Schichten

Die Eigenschaften thermisch gespritzter Verschleißschutzschichten beeinflussen die Entwicklung von Strategien zur Endbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide erheblich. Ausgehend von der auf mechanischer Verklammerung, Adhäsion und Kohäsion bewirkten Haftung zwischen Substrat und Schicht müssen die Kräfte einer mechanischen Endbearbeitung so eingestellt werden, dass eine Beschädigung oder gar eine Schichtablösung verhindert wird.

Neben den spanenden Verfahren mit geometrisch bestimmter und unbestimmter Schneide stehen allerdings zur Verbesserung der Werkstückqualität auch Feinbearbeitungsverfahren, bei denen keine Spanabnahme erfolgt, zur Verfügung. Ziel des Verfahrenseinsatzes ist die Eruierung der Schleifverfahren bei gleicher Oberflächenqualität und verbesserten Randzoneneigenschaften.

Die hier beschriebenen Untersuchungsergebnisse wurden mit dem Diamantglätten an thermisch gespritzten X120Mn12-Schichten erzielt. Dieses ist ein typisches Verfahren zur Feinbearbeitung vorgearbeiteter Oberflächen an gehärteten Bauteilen. Vorangegangene Untersuchungen zeigten das Potenzial bezüglich verbesserter Rauheit und Randzoneneigenschaft, welche durch die hier zusammengetragenen Ergebnisse untermauert werden.

Die Vorbearbeitung durch Drehen erfolgte mit einer beschichteten Mischkeramik aus Aluminiumoxid und Titancarbonitrid. Diese Auswahl des Schneidstoffes erfolgte auf Basis der Ergebnisse zur Drehbearbeitung gespritzter Manganhartstahl-Schichten. Unter Variierung der Schnittgeschwindigkeit vc zwischen 100 und 150 m/min bei gleichzeitig konstanten Parametern für Schnitttiefe ap von 0,15 mm, Vorschub f von 0,1 mm und Werkzeuggeometrie zeigen sich nur geringe Unterschiede in den während der Bearbeitung wirkenden Kräften. Größere Unterschiede traten vornehmlich an den verschiedenen Spritzchargen auf.

Die durch das Drehen erzeugten Oberflächen bildeten die Grundlage für die Glättversuche. Innerhalb dieser variierten Glättgeschwindigkeit vg, Glättvorschub fg und die Glättzustellung ag. Aufgrund des federnd aufgenommenen Diamantkopfes mit einer Federkonstanten von 96 N/mm wird über die Zustellung eine differierende Anpresskraft realisiert. Der Radius des Diamanten für diese Versuche lag bei re=2 mm.

Während der Untersuchungen zeigte sich, dass zwar durch das Diamantglätten eine deutliche Verbesserung der Oberflächenqualität erzielt werden konnte, die Reduzierung der Rauheit aber immer in Abhängigkeit zum Bearbeitungszustand nach dem Drehen steht. Bei den Versuchen an Proben der Charge I mit geringen Anpresskräften konnte keine Rauheitsverbesserung festgestellt werden. Auch reduzierte sich die mittlere Rautiefe Rz bei weitem nicht so stark, wie dies bei Charge II zu beobachten war. Einzig unter den hohen Anpresskräften, das heißt einer Zustellung von 1 mm konnten Werte um Rz=2 µm erreicht werden.

Bei der Variation der Glättgeschwindigkeiten im Bereich von vg=100 bis 200 m/min ergaben sich im Vergleich der beiden Chargen differente Versuchsergebnisse der Oberflächenrauheit. Hierbei hatte die Glättgeschwindigkeit für den Untersuchungsbereich der Charge I keinen relevanten Einfluss auf die Oberflächenrauheit. Bei der Glättbearbeitung der Charge II steigt die Rauheit über einer Glättgeschwindigkeit vc=125 m/min aufgrund von Rattererscheinungen sprunghaft an.

Der bearbeitete Werkstoff X120Mn12 zeichnet sich besonders durch das Kaltverfestigungsverhalten aus, was die bisherigen Anwendungen überwiegend auf Bereiche mit schlagender bzw. stoßender Beanspruchung begrenzt. Diese Randzonenverfestigung konnte auch bei den gespritzten Schichten durch die spanende Bearbeitung und durch den Glättvorgang nachgewiesen werden. Nach dem Spritzprozess wurden unterschiedliche Grundhärten gemessen, jedoch führten die beim Drehen wirkenden Bearbeitungskräfte zu einer deutlichen Steigerung. Es wurden Härten bis ca. 650 HV0.3 erreicht, wobei bei Charge I eine höhere Härtesteigerung zur Grundhärte festgestellt wurde, als bei Charge II. Ein direkter Einfluss der Schnittgeschwindigkeit ist allerdings nicht festzustellen, da auch der Einfluss auf die Kräfte, wie oben beschrieben, unwesentlich war.

Eine weitere Steigerung der Randzonenhärte zeigte sich nach dem Diamantglätten. Hierbei hatte die Glättzustellung den größten Einfluss, wobei bei Zustellungen von ag≥0,5 mm stabil über 700 HV0.3, teilweise bis 750 HV0.3, erzielt worden. In Abbildung 4 ist dies für beide Chargen (Charge I unten, Charge II oben) zusammengefasst.

Die Glättgeschwindigkeit wirkt sich nur gering auf die Randzonenhärte aus. Einzig bei Charge II kommt es aufgrund der beschriebenen Rattererscheinungen bei Glättgeschwindigkeiten von vg≥150 m/min zu einem Härteanstieg. Der Glättvorschub fg zeigt eine chargenabhängige Wirkung Mit zunehmendem Vorschub ist bei Probencharge II eine Härtesteigerung bis auf Werte deutlich über 700 HV0.3 festzustellen, während bei Charge I eher ein konstantes Verhalten um 700 HV0.3 auftrat.

Aus den Untersuchungen kann geschlussfolgert werden, dass mit dem Drehen und anschließenden Diamantglätten von thermisch gespritzten Manganhartstahl-Schichten eine effiziente Endbearbeitungsstrategie zur Verfügung steht. Damit eröffnen sich weitere Anwendungsfälle, da Rauheit und Randzoneneigenschaft anforderungsgerecht adaptiert werden können. Die Werte der mittleren Rautiefe werden teilweise halbiert und die Randzonenhärte um bis zu 50 Prozent gesteigert. Allerdings geht aus den Untersuchungen ebenfalls deutlich hervor, dass schon geringe Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Schichtmaterialien beziehungsweise an den Spritzparametern starke Änderungen der Schichteigenschaften verursachen.

www.auftragschichten.de

  • Bild 2: Glänzend geglättet

    Bild 2: Glänzend geglättet

  • Bild 3: Glänzend geglättet

    Bild 3: Glänzend geglättet

  • Bild 4: Glänzend geglättet

    Bild 4: Glänzend geglättet

  • Das Baublies Diamant-Glättwerkzeug DGW variabel lässt sich mittels eines schwenkbaren Diamantträgers an die Konturen anpassen.

    Das Baublies Diamant-Glättwerkzeug DGW variabel lässt sich mittels eines schwenkbaren Diamantträgers an die Konturen anpassen.

  • Die Diamant-Glättwerkzeuge eignen sich für die Bearbeitung von Materialien wie Stahl, Aluminium und Messing.

    Die Diamant-Glättwerkzeuge eignen sich für die Bearbeitung von Materialien wie Stahl, Aluminium und Messing.

  • »Die Kunden profitieren von einer möglichst geringen Inves-tition bei maximaler Flexibilität.« Thomas Kappel, Leiter Technik und Entwicklung bei Baublies

    »Die Kunden profitieren von einer möglichst geringen Inves-tition bei maximaler Flexibilität.« Thomas Kappel, Leiter Technik und Entwicklung bei Baublies

  • Verfahrensprinzip des Diamantglättens von Außenflächen rotationssymmetrischer Bauteile.

    Verfahrensprinzip des Diamantglättens von Außenflächen rotationssymmetrischer Bauteile.

  • Randzonenhärte nach dem Diamantglätten beider Chargen des gespritzten X120Mn12t.

    Randzonenhärte nach dem Diamantglätten beider Chargen des gespritzten X120Mn12t.

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