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Entwicklungsprojekt Thermo-Feinschneiden

Thermofeinschneiden

Ein bisschen Wärme tut immer gut – gemäss diesem Motto hat die Feintool Technologie AG 2017 zusammen mit der ETH Zürich ein von der KTI (Schweizer Kommission für Technologie und Innovation) unterstütztes Entwicklungsprojekt gestartet. Im Vordergrund stehen Untersuchungen zum Thema temperaturabhängiges Umformverhalten unterschiedlicher Werkstoffe sowie die Entwicklung verschiedener Prozesslösungen zur Erwärmung des Vormaterials.

Die wachsende Nachfrage an leichteren, energieeffizienteren Fahrzeugen hat einen weltweiten Wandel in der Herstellungsindustrie zur Folge. Werkstoffe, wie Titanlegierungen und höchstfeste Stähle, stellen dankihres geringeren Gewichtes bei gleicher Bauteilfestigkeit  vermehrt eine wirtschaftliche Option dar. Die Verarbeitung dieser komplexen Werkstoffe benötigt jedoch eine Weiterentwicklung bestehender Herstellungsverfahren oder gar den Einsatz innovativer Produktionsmethoden. Die Feinschneidtechnologie ermöglicht zwar eine höchst wirtschaftliche Herstellung einer breiten Palette an Automobilbauteilen, ist aber in der Auswahl anwendbarer Werkstoffe nach heutigem Stand der Technik eingeschränkt; denn Prozess erfordert Werkstoffe mit hoher Duktilität und gutem Fliessverhalten.

Ziel des Entwicklungsprojekts
Das Projekt hat das Ziel, die Palette an anwendbaren Materialien mit Hilfe gezielter Ausnutzung von Temperatureffekten zu erweitern. So könnten z.B. höherfeste Stahlwerkstoffe bzw. Titanlegierungen möglicherweise durch das Feinschneiden wirtschaftlich verarbeitet werden. Dies könnte eine signifikante Erweiterung des Anwendungsgebietes der Feinschneidtechnologie zur Folge haben.

Die positive Wirkung einer angehobenen Temperatur in Bezug auf die Umformbarkeit höherfesten Werkstoffe ist aus vielen Umformprozessen schon bekannt. Dieser Zusammenhang ist jedoch nicht immer eindeutig und die Einstellung des optimalen Temperaturbereichs oft nicht trivial.

Beim Einsatz der Feinschneidtechnologie stellen sowohl die Festigkeit des zu schneidenden Werkstoffes wie auch die Werkstoffart bzw. dessen Mikrostruktur (Gefüge) eine technologische Grenze dar. Die Entwicklung zielt darauf ab, durch thermische Beeinflussung des Umform- und Bruchverhaltens der Werkstoffe, die Prozessgrenzen zu verschieben und neue Anwendungsgebiete zu erschliessen. Im Rahmen des Projektes werden sowohl die technischen Grundlagen zur optimalen Prozessauslegung wie auch Pilotwerkzeuge entwickelt und getestet.

Das geplante Verfahren ist auch in Bezug auf die Anlagen- und Prozesstechnik ausgesprochen herausfordernd. So muss z.B. das Tribosystem für den erhöhten Temperaturbereich neu ausgelegt und optimiert werden.

Entsprechend den verschiedenen Anwendungsgebieten und Temperatureffekten wurde das Projekt in drei verschiedene Teilgebiete aufgeteilt.

Untersuchungen im Teilgebiet unlegierte und legierte Kohlenstoffstähle
Heute werden aufgrund der hohen Anforderungen an die Schnittflächen am Feinschneidteil vielfach Stähle mit speziellen Gefügeeigenschaften benötigt. Es bedarf daher oft eines Karbideinformungsgrads von deutlich über 90%, welcher nur mit kostenintensiven thermischen und mechanischen Verfahren (Glühen und Kaltwalzen) erreicht werden kann. Möglicherweise können unter Einwirkung von Temperatur Schnittflächen in gleicher oder ähnlicher Qualität auch mit weniger aufwendig hergestellten Werkstoffen mit geringerem Karbideinformungsgrad realisiert werden.

Rund 60% des verarbeiteten Stahls sind aufwendig behandelte Qualitäten mit über 90% Karbideinformung, welche im Vergleich zu Stählen mit niedrigerem Karbideinformungsgrad deutlich teurer in der Herstellung sind. Da der Werkstoff-Anteil rund 60% des Teilepreises beträgt, könnten hier hohe Kosten eingespart, und das Feinschneidverfahren wettbewerbsfähiger gemacht werden.

Resultate aus Voruntersuchungen haben gezeigt, dass Temperaturen um 300ºC sowohl eine wesentliche Verbesserung der Schnittflächenqualität, als auch eine bis zu zehnprozentige Reduktion des Einzugs ermöglicht haben. Ausserdem konnte so die Schneidkraft, und somit die Belastung auf die Werkzeuge, um rund einen Drittel reduziert werden.

Erkenntnisse im Teilgebiet Rostfrei
Beim Feinschneiden von austenitischem, rostfreiem Stahl, insbesondere der weitverbreiteten Güte 1.4301 (V2A), kann es bei dickeren Blechen (ab ca. 4mm) zu verformungsinduzierter Martensitbildung kommen. Dieser Effekt hat aufgrund des dadurch ausgelösten Schnittschlags einen sehr negativen Einfluss auf die Werkzeugstandmenge und die Schnittflächenqualität am Teil. Erste Vorversuche mit Thermo-Feinschneiden haben gezeigt, dass bereits bei Temperaturen ab 120°C dieser Effekt deutlich abgeschwächt oder sogar ganz unterdrückt werden kann.

Herausforderung im Teilgebiet Titan
Feinschneid-Produkte finden heute zum grössten Teil Anwendung im Automobil-Sektor. Doch auch im Medizinalbereich kann Feinschneiden interessant sein. Jedoch bestehen in diesem Bereich Herausforderungen. Der dort oft verarbeitete Werkstoff Titan weist bei Raumtemperatur sehr schlechte Feinschneideigenschaften auf. Dadurch ist der Glattschnittanteil oft zu tief, und die Teile müssten noch spanabhebend bearbeitet werden, was wirtschaftliche Nachteile mit sich bringt. Unter Temperatureinwirkung erhofft sich das Forschungsteam hier bessere Ergebnisse. Erste Vorversuche haben gezeigt, dass die Temperaturen bei Titan deutlich über 300°C liegen müssen.

Alle Untersuchungen werden anhand verschiedener Geometrien durchgeführt. Unter anderem sind dies „Versuchsgeometrie“ und „Realgeometrie“.

Aktuelle Ergebnisse mit der „Versuchsgeometrie“
Um den positiven Einfluss erhöhter Temperatur auf verschiedenen Materialen zu testen, wurden Schneidexperimente mit variablem Schnittspalt und unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt.

Bei dem Versuchsteil (siehe untenstehende Abbildung) besitzen die jeweils gegenüberliegenden Seiten denselben Schnittspalt. Dadurch können pro Experiment jeweils vier verschiedene Schnittspalte (0.00mm-0.09mm) pro vorher definierter Temperatur untersucht werden. Grössere Schnittspalte haben tendenziell einen positiven Effekt auf den Werkzeugverschleiss, vermindern bekanntlich aber die Schnittflächenqualität.

Versuchsgeometrie Testwerkzeug ETH
Versuchsgeometrie Testwerkzeug ETH

Der erste Versuch mit 42CrMo4 Warmband mit rund 50% Karbideinformung zeigte eine klare Abnahme der Schnittkraft mit zunehmender Temperatur (bis zu -30% bei 320°C). Auch die Auswertung des Einzuges zeigt eine deutliche Verbesserung um circa 13% bei einer Temperatur von 320°C.

Schnittkraft in Abhängigkeit der Temperatur bei 42CrMo4 WB
Schnittkraft in Abhängigkeit der Temperatur bei 42CrMo4 WB

 

Einzug in Abhängigkeit der Temperatur bei 42CrMo4 WB
Einzug in Abhängigkeit der Temperatur bei 42CrMo4 WB

Zudem konnte eine deutliche Reduktion des Abriss-Anteils und der Einriss-Grösse bei erhöhten Temperaturen festgestellt werden (siehe folgende Abbildungen). Dieses Material ist feinschneidtechnisch zwar nicht extrem kritisch, allerdings konnten sogar mit sehr grossem Schnittspalt von 0.05mm bei hohen Temperaturen eine befriedigende Schnittflächenqualität erreicht werden.

Gegenüberstellung der Schnittflächen bei verschiedenen Temperaturen und Schnittspalten bei 42CrMo4 WB
Gegenüberstellung der Schnittflächen bei verschiedenen Temperaturen und Schnittspalten bei 42CrMo4 WB

Auch eine instabile Ausführung des austenitischen, rostfreien Stahls X5CrNi18-10 (1.4301, 304, V2A) wurde untersucht. Hier konnte schon ab 120°C eine deutliche Unterdrückung der Martensitbildung und damit einhergehend des Schnittschlags erzielt werden, was natürlich auch eine positive Beeinflussung der Schnittflächenqualität zur Folge hatte.

Gegenüberstellung der Schnittflächen bei verschiedenen Temperaturen und Schnittspalten bei 1.4301 (V2A)
Gegenüberstellung der Schnittflächen bei verschiedenen Temperaturen und Schnittspalten bei 1.4301 (V2A)

Wie erwartet haben die hohen Temperaturen sich negativ auf die Tribologie ausgewirkt. Einer der wichtigsten Faktoren im „Tribosystem Feinschneiden“ ist der Schmierstoff. Die meisten beim Feinschneiden verwendeten Schmierstoffe sind mineralölbasiert und deshalb nur bis Temperaturen von ungefähr 200°C einsetzbar.
Entwicklungen hinsichtlich temperaturbeständiger Schmierstoffe laufen mit ausgewählten Entwicklungspartnern von Feintool.

Einsatzgrenze herkömmlicher Feinschneid-Schmierstoffe bei T > 200°C
Einsatzgrenze herkömmlicher Feinschneid-Schmierstoffe bei T > 200°C

Aktueller Stand der Untersuchungen mit „Realgeometrie“
Es wird anhand der Geometrie einer reellen Anwendung die Feinschneidbarkeit eines hochfesten Werkstoffs untersucht. Es handelt sich dabei um einen vergüteten C55E-QT mit einer Härte von rund 42 HRC, was eine Zugfestigkeit von ungefähr 1300 MPa entspricht. Eine genügende Entfestigung zu erzielen und dabei die Blausprödigkeit und einen Härteverlust durch Anlasseffekt zu umgehen, erfordert ein sehr enges Prozessfenster und eine genau Kontrolle der Temperaturführung.

Voruntersuchungen im Labor mittels Stauchversuchen bei verschiedenen Temperaturen haben gezeigt, dass eine ausreichende Entfestigung erst ab rund 450°C auftritt.

Fliesskurven aus dem Stauchversuch, C55E+QT bei verschiedenen Temperaturen
Fliesskurven aus dem Stauchversuch, C55E+QT bei verschiedenen Temperaturen

Mittels Gefügeuntersuchungen wurde ermittelt, dass ab rund 500°C eine Veränderung des Gefüges eintritt. Es handelt sich dabei um ein Entspannen des Martensits, was zu einem Härteverlust führt. Die Schneidversuche mit dem C55E-QT müssen somit also bei Temperaturen zwischen 450°C und 500°C stattfinden.

Gefügevergleich C55E-QT bei verschiedenen Temperaturen, 60s Haltezeit
Gefügevergleich C55E-QT bei verschiedenen Temperaturen, 60s Haltezeit

Erste Schneidversuche mit Realgeometrie C55E-QT
Für die ersten Versuche wurden Platinen auf etwa 550°C erwärmt und dann in das Werkzeug eingelegt. Berechnungen haben ergeben, dass sich die Platine bis Schneidbeginn um gut 50°C auf rund 500°C abkühlt. Als Schmierstoff wurde ein neuer, von einem Feintool-Partner entwickelter Hochtemperatur-Schmierstoff verwendet.

Schnittfläche Realgeometrie C55E-QT
Schnittfläche Realgeometrie C55E-QT

Das erfreuliche Resultat: Die Schnittfläche weist einen Glattschnittanteil von 100% auf, der Einzug ist minimal.

Die ersten Ergebnisse aus dem Forschungsprojekt sind vielversprechend. Es werden weitere Untersuchungen durchgeführt und die Auswertungen folgen in einem weiteren Blogbeitrag.

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