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Eine der Herausforderungen beim Aufbohren von Werkstoffen, die zur Kaltverfestigung neigen, ist das Erkennen, ob die vorgebohrte Bohrung bereits kaltverfestigt ist.
Das größte Problem ist, dass die Leute, die das kaltverfestigte Material aufbohren, dies meist nicht erkennen
, sagt Harvey Patterson, Produktentwicklungsmanager bei Scientific Cutting Tools Inc. in Simi Valley, Kalifornien.
Infolgedessen programmieren sie die Maschine in der Regel so, dass sie mit Parametern bohren, die für ein Metall in ungehärtetem Zustand geeignet sind, wie z. B. weichen Stahl, und erleben eine verminderte Werkzeugstandzeit, fügte er hinzu. Möglicherweise ist die Bohrung jedoch bereits gehärtet, weil sie mit einem stumpfen oder für die Aufgabe ungeeigneten Bohrer hergestellt wurde, und der Endanwender behebt das Problem mit der falschen Operation.
Oft erhält der Hersteller der Bohrstange einen Anruf und erfährt, dass die Standzeit der Werkzeuge nicht mehr so gut ist wie früher.
Was ist los? Stellen Sie jetzt minderwertige Werkzeuge her?’—wenn das’gar nicht das Problem ist,” sagte Patterson.
Sarang Garud, Produktmanager für Dreh-, Ausbohr- und Wendeschneidplatten bei Walter USA LLC, Waukesha, Wisconsin, stimmte dem zu: “Ein stumpfer oder falsch eingesetzter Bohrer hinterlässt die Bohrung in einem sehr unangenehmen, gehärteten Zustand”, erklärte er. “Egal, wie viele der besten Praktiken Sie beim Ausbohren anwenden, Sie werden den Preis für einen schlechten Schruppschnitt zahlen. Anstatt dem Bohrwerkzeughersteller die Schuld zu geben, sollte ein guter Anwendungstechniker in der Lage sein, die Kaltverfestigung anhand des Zustands der Wendeschneidplatte nach dem Schnitt zu erkennen.”
Zu den Werkstoffen, die zur Kaltverfestigung neigen, gehören Superlegierungen auf Nickelbasis wie Inconel 718 sowie austenitische und Duplex-Edelstähle, so Garud.
Er erklärte, dass die Tendenz zur Kaltverfestigung eines Werkstoffs zunimmt, wenn Wärme vorhanden ist, die durch die Bearbeitung in das Werkstück eingebracht wird. Die Werkstoffe neigen sogar zur Kaltverfestigung, wenn ihre Kristallstruktur während eines Kaltbearbeitungsprozesses, z. B. durch Spannen, Pressen oder Brünieren, neu ausgerichtet wird. Im erwärmten Zustand hingegen lässt sich das Kristallgefüge des Werkstoffs viel leichter neu anordnen.
Chip Check
Um herauszufinden, ob das Bohren zu einer Kaltverfestigung des Materials geführt hat, müssen laut Patterson die bei diesem Vorgang entstandenen Späne visuell untersucht werden. Da Anzeichen für Kaltverfestigung während des Bohrens nicht festgestellt werden können, da die Späne fliegen und das Kühlmittel spritzt, muss ein Zerspanungsmechaniker sich durch die Späne wühlen und die größeren Späne, die beim Bohren entstehen, im Vergleich zu den Spänen, die beim Bohren entstehen, untersuchen.
Die Späne sehen vielleicht viel dunkler aus", sagte er über die Späne von kaltverfestigtem Material, "also erzeuge ich mehr Wärme, und diese Wärmeerzeugung macht das Material kaltverfestigt. Ein Blick auf die Späne des vorhergehenden Arbeitsgangs ist wahrscheinlich die schnellste Prüfung.”
Ein weiteres visuelles Anzeichen für Kaltverfestigung ist laut Garud ein ungleichmäßiger Glanz und eine glatte Oberfläche der Bohrung. Wenn das Aufbohren das Problem verursacht, wird die Kaltverfestigung in der Regel nach dem ersten Durchgang als Symptom erkannt, z. B. als Kerbe in der Wendeschneidplatte DOC und als Ausbrüche. Außerdem neigt die Wand beim Aufbohren eines kaltverfestigten, dünnwandigen Werkstücks dazu, sich aufgrund übermäßiger Kräfte zu verbiegen.
“Einige fortgeschrittene zerstörungsfreie Techniken, wie z.B. Ultraschall, können helfen, aber nicht alle Werkstätten sind dafür ausgerüstet und geschult,” erklärte Garud. “Labortests oder zerstörende Prüfungen, wie z.B. das Aufspalten der Bohrung und die Prüfung des Werkstücks vor und nach der Bearbeitung auf einer Härteprüfmaschine, sind ebenfalls möglich.”
Ben Morrett, Produktmanager bei Allied Machine & Engineering Corp. in Dover, Ohio, fügte hinzu, dass Spanbildung und -kontrolle weitere Anhaltspunkte liefern.
“Wenn ein Span in einem Material bricht, von dem bekannt ist, dass es schlecht zerspanbar ist,” sagte Morrett, “Ihr Material ist wahrscheinlich kaltverfestigt.”
Geometrien bei der Arbeit
Um Kaltverfestigung zu verhindern und gleichzeitig ein Loch effektiv zu bohren, bietet Allied laut Morrett eine ISO-Norm-Wendeplatte mit einer positiven Schneidkantengeometrie an, die unter den Span gelangt, um ihn abzuscheren und die beim Bohren entstehende Wärme zu reduzieren.
Diese Geometrie ist ein guter Ausgangspunkt für Werkstoffe, die zur Kaltverfestigung neigen, und ist in drei verschiedenen ISO-Größen erhältlich
, fügte er hinzu.
Ein leichter Anschliff an der Schneidkante ist auch beim Bohren von Werkstoffen, die zur Kaltverfestigung neigen, von Vorteil. Patterson wies darauf hin, dass sich an der DOC-Linie eines Werkzeugs eine Kerbe bilden kann, wenn ein kaltverfestigtes Loch gebohrt wird, und der Honstein hilft, die Kerbe zu stoppen.
Garud empfiehlt, den DOC bei jedem Durchgang zu variieren, wenn der Prozess und die verfügbare Menge des zu entfernenden Materials dies zulassen. Wenn das nicht möglich ist, sollte man ein Werkzeug mit einem scharfen Kantenradius und einem scharfen Eckenradius verwenden, um die radiale Schnittkraft zu verringern, und einen DOC wählen, der weit hinter dem Eckenradius liegt, fügte er hinzu.
Morrett fügte hinzu, dass die Allied-Wendeschneidplatte auch mit einer PVD-Mehrschicht-Titan-Aluminiumnitrid-Beschichtung für die Fertigbearbeitung von schwer zerspanbaren Hochtemperaturlegierungen und rostfreiem Stahl ausgestattet ist.
“Diese Beschichtung ist ausgezeichnet hitzebeständig und minimiert Materialanhaftungen, wie z.B. Aufbauschneiden,” sagte Morrett. “Unsere WHC111-Beschichtung und Substratkombination eignet sich sehr gut für Materialien bis zu 58 Rockwell.”
Patterson stimmte zu, dass ein TiAlN-beschichtetes Werkzeug zum Bohren von gehärtetem Material geeignet ist. Viele Teilehersteller verwenden jedoch unbeschichtete Werkzeuge, weil sie weniger kosten und für weichere Metalle geeignet sind. “Aber wenn Sie es umhärten, brauchen Sie vielleicht die Beschichtung.”
Schlagen Sie die Hitze
Wenn ein Anwender feststellt, dass er nicht mehr in weichen, geglühten Stahl bohren kann, sondern vor einer kaltverfestigten Bohrung steht, empfiehlt Patterson, die Schnittgeschwindigkeit um bis zu 30 Prozent zu reduzieren.
Morrett stimmte zu, dass beim Bohren von Werkstoffen, die zum Kaltverfestigen neigen, eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit erforderlich ist. Der Vorschub kann jedoch erhöht werden, um die Eindringtiefe beizubehalten und die Kaltverfestigung zu verhindern. “Man darf keine Angst vor höheren Vorschubgeschwindigkeiten haben, um schnell in den Schnitt hinein- und wieder herauszukommen,” sagte er, “denn je länger man im Schnitt ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass man das Material kaltverfestigt. Unser Ansatz beim Bohren dieser Materialien ist ähnlich wie beim Bohren.
Garud fügte hinzu, dass eine extrem niedrige Vorschubgeschwindigkeit dazu führt, dass ein Bohrwerkzeug das Material pflügt, anstatt es abzuscheren. “Ein abgeschertes Metall bedeutet, dass weniger Energie in das System fließt, um die gleiche Menge an Arbeit zu verrichten, und das führt zu weniger Kaltverfestigung.”
Eine weitere gängige Methode, die Hitze zu bekämpfen, ist das Auftragen von Kühlmittel, vor allem, wenn es genau auf die Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück gerichtet ist. “Kühlmittel durch das Werkzeug hindurch ist hilfreich,” sagte Patterson. “Das Kühlmittel gelangt bis zum Boden des Lochs und spült rückwärts aus dem Loch heraus.”
Er fügte hinzu, dass, wenn das Kühlmittel in das Loch und nicht durch die Bohrstange eintritt, Hindernisse wie Späne und die Stange selbst den Weg des Kühlmittels behindern.
Morrett sagte: “Was den Kühlmitteldruck betrifft, so verwenden die meisten Anwender mit Erfolg Metallbearbeitungsflüssigkeiten mit einem Druck von weniger als 400 oder 500 psi, und es ist nicht notwendig, beim Bohren Kühlmittel mit einem Druck von 1.000 psi zu verwenden.
Hartes Zählen
Obwohl polykristallines kubisches Bornitrid der bevorzugte Schneidstoff beim Hartbohren ist, eignet er sich nicht zum Bohren von Löchern, die nicht wärmebehandelt wurden, selbst wenn das Material des Werkstücks zur Kaltverfestigung neigt. Das liegt daran, dass es, wie bereits erwähnt, schwierig ist zu wissen, ob das Material kaltverfestigt ist, und es ist wahrscheinlich nicht der Fall, wenn scharfe, frische Werkzeuge während des gesamten Lochherstellungs- und Lochbearbeitungsprozesses verwendet werden, erklärte Patterson.
“Wenn Ihr Material nicht mindestens 45 Rockwell hat, funktioniert ein CBN-bestücktes Werkzeug nicht gut,” sagte Patterson. “Wenn Sie weichen Stahl mit CBN bearbeiten, nutzt sich das CBN sehr schnell ab, schneller als ein Hartmetallwerkzeug. Aber wenn man über 45 Rockwell kommt, funktioniert CBN viel besser als Standard-Hartmetallwerkzeuge.”
Außerdem, so Morrett, haben PCBN-bestückte Wendeschneidplatten eine abgestumpfte Schneidengeometrie, die dazu neigt, zusätzliche Wärme zu erzeugen. “CBN ist spezifisch für Anwendungen, bei denen das Material wärmebehandelt oder absichtlich gehärtet wurde—nicht wie bei einer rostfreien oder hitzebeständigen Superlegierung.”
Laut Garud ist der Härtebereich eines wärmebehandelten oder vorgehärteten Materials kontrollierter als der eines kaltgehärteten Materials. Bei letzterem kann die Tiefe der gehärteten Schicht je nach Prozessparametern und Werkzeugzustand variieren.
“In gewissem Sinne ist ein hartes Material ein hartes Material”, erklärte Garud und fügte hinzu, dass der Unterschied in der Konsistenz der gehärteten Schicht liegt.
Um Einkerbungen und Ausbrüche an den Einsätzen, verkürzte Werkzeugstandzeiten und andere Fallstricke zu vermeiden, die beim Bohren von gehärtetem Material auftreten können, empfiehlt Patterson, alle Werkzeuge bei der Bohrung zu überprüfen, einschließlich des Bohrers, der Reibahle (falls eine verwendet wird) und des Bohrwerkzeugs, um zu sehen, ob sie scharf und frei von Spänen oder Kerben sind. Eine Betrachtung mit bloßem Auge mag ausreichen, aber ein Blick unter ein Mikroskop mit mindestens 10-facher Vergrößerung ist aufschlussreicher.
“Einige junge Bediener schauen einfach auf ein Werkzeug und sehen einen Span,” sagte Patterson. “Ich schaue hin und sage, ‘Wo?’"
Bohren von gedrucktem Metall
Da immer mehr Metallteile im 3D-Druckverfahren hergestellt werden, die gebohrt werden müssen, und die Anzahl der Pulverrezepturen ständig zunimmt, werden die Teilehersteller wahrscheinlich vor Schwierigkeiten stehen. Leider gibt es nur wenige oder gar keine Bearbeitungsempfehlungen für 3D-gedruckte Metallteile, die in der Regel noch bearbeitet werden müssen.
Meines Wissens führt noch niemand Standzeittests an 3D-gedruckten Werkstoffen durch, um Werkstätten, die sie bearbeiten müssen, Informationen darüber zu geben, wie sie sie bearbeiten sollen", sagte Harvey Patterson von Scientific Cutting Tools. "Wird man langsamer, weil es hart ist? Ist die Querbruchfestigkeit des Materials wirklich hoch, so dass man viel Kraft braucht, um es zu schneiden?
Er fügte hinzu, dass je höher die Querbruchfestigkeit ist, desto mehr Kraft muss auf das Werkzeug ausgeübt werden, um einen Span abzuschälen. Dieses Szenario erhöht die Durchbiegung des Werkzeugs und erfordert die Verwendung eines leichteren DOC.
Im Moment scheint die Zahl der Anwendungen für das Aufbohren von 3D-gedruckten Teilen jedoch gering zu sein. “Ich’habe nur einen Kunden angerufen, der es bearbeitet,” sagte Patterson. Dennoch hatte der Kunde ein Problem mit vorzeitigem Werkzeugverschleiß aufgrund der Abrasivität des Metalls, aber die genauen Materialeigenschaften waren ein Rätsel. “Ich hatte nicht genug Informationen, um festzustellen, ob er eine CBN- oder eine Diamanteinlage verwenden konnte oder was er tun konnte, um den abrasiven Verschleiß zu verringern.”
Ben Morrett von Allied Machine & Engineering’s schätzt, dass nur wenige Kunden 3D-gedrucktes Material bearbeiten. “Sie verwenden einige unserer Schruppwerkzeuge, wie unsere Zweischneider-Schrupper, um ein Loch besser abzurunden.”