Automobilbau

Eberhard Abele, Dirk Sellmer,

Grauguss zerspanen

Grauguss erfreut sich im Automobilbau immer noch großer Beliebtheit. Grund dafür ist sicherlich seine Anpassungsfähigkeit an unterschiedlichste Anforderungen. Diese erfordert bei der Bearbeitung aber auch spezielle Werkzeuge.

Bild 1: Werkzeugkonzepte für die Bohrungsfeinbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide. © Mapal

Grauguss ist ein gefragter Werkstoff: Die Herstell-kosten sind niedrig und seine Eigenschaften können über Legierungselemente gezielt für spezifische Einsatzzwecke eingestellt werden. Die tribologischen Gleit- beziehungsweise Notlaufeigenschaften sind weitere werkstoffbedingte Besonderheiten. Eisengusswerkstoffe können in weiße und graue Gusseisen eingeteilt werden (Bild 2). Auch aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften, wie einer hohen Festig- und Steifigkeit sowie einem ausgezeichneten Dämpfungsvermögen werden graue Gusseisenwerkstoffe derzeit unter anderem in höher beanspruchten Dieselmotoren (Heavy Duty, Lkw-Motoren) eingesetzt. Hierbei stehen Gusseisen mit Lamellengrafit (GJL), Gusseisen mit Vermiculargrafit (GJV) und Gusseisen mit Kugelgrafit (GJS) im Wettbewerb zueinander.
In der jährlichen Eisengussproduktion entfällt ein Anteil von 57 % auf graue Gusseisen [1]. Aufgrund der guten Gießeigenschaften von grauem Gusseisen können Bauteile nahe ihrer Endkontur hergestellt werden. Dennoch ist bei der Fertigung von Funktionsflächen eine spanende Nacharbeit erforderlich. Zur prozesssicheren Einhaltung der geforderten makro- und mikrogeometrischen Eigenschaften werden zunehmend Fein- und Feinstbearbeitungsverfahren eingesetzt und es bedarf der Entwicklung spezieller, auf die Bearbeitungsaufgabe angepasste Werkzeug- und Schneidstofflösungen.

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Bild 2: Einteilung von Eisengusswerkstoffen, nach [6]. © [9]

Die prozesssichere spanende Bearbeitung von Bauteilen aus grauem Gusseisen erfordert die Beachtung einiger Besonderheiten bei der Auslegung von Zerspanungsprozessen. In diversen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass sich die Alterung positiv auf die Zerspanbarkeit von Gusseisen auswirkt. Durch die Alterung sinken die Schnittkräfte sowie der Werkzeugverschleiß, und die Oberflächenqualität als auch die Formgenauigkeit steigen [2]. Bild 3 verdeutlicht die signifikante Verbesserung der Spanbarkeit nach einer natürlichen Alterung bei Raumtemperatur bis zu 1.000 Stunden. Nach einer Auslagerungszeit von 30 Tagen bilden sich 2–4 μm große Nitridausscheidungen, welche eine Festigkeitssteigerung von bis zu 13 % bewirken. Mikrohärtemessungen ergaben einen Härteanstieg in den ferritischen Höfen um die Grafitkugeln von 190 HV auf 260 HV in 30 Tagen. Die mit ansteigender Werkstofffestigkeit zunehmende Materialversprödung sorgt für kürzeren Spanbruch, welcher sich positiv auf den Werkzeugverschleiß auswirkt [3].

Auswirkung auf Werkzeugverschleiß

Neben den Alterungseffekten konnte zudem ein positiver Einfluss einer sich ausbildenden Mangansulfid-schicht auf den Werkzeugverschleiß nachgewiesen werden. Ein Vergleich der drei Graugusswerkstoffe zeigt, dass die Wirtschaftlichkeit bei der Feinbearbeitung von GJV und GJS deutlich unter der von GJL liegt. Der Unterschied ist auf eine bessere Zerspanbarkeit aufgrund der Bildung einer verschleißminimierenden Mangansulfidschicht an der eingreifenden Werkzeugschneide zurückzuführen. Diese ermöglicht bei der Feinbearbeitung von lamellaren Gusseisenwerkstoffen (GJL) hohe Werkzeugstandwege unter Verwendung von polykristallinem kubischen Bornitrid (PcBN) oder Schneidkeramiken [4, 5]. Ein Ausbleiben der Verschleißschutzschicht kann bei der Bohrungsfeinbearbeitung von GJV, bedingt durch die Werkstoffzusammensetzung, zu geringen Standwegen führen (Bild 3b). Des Weiteren nimmt die Materialzusammensetzung, insbesondere bei GJV-Legierungen, erheblichen Einfluss auf die Zerspanbarkeit. Wird beispielsweise der Titangehalt der GJV-Legierung auf Werte kleiner 0,006 Massenprozent begrenzt, sind signifikant höhere Werkzeugstandwege zu erwarten [6].
Eisen-Kohlenstoff-Gusswerkstoffe zählen zur Gruppe der tribotechnischen Werkstoffe im Maschinen- und Anlagenbau und sind besonders als Konstruk-tionswerkstoff für tribologisch beanspruchte Funktionsflächen geeignet. Anforderungen an Funktionsflächen sind unter anderem Gleiten, Führen, Speichern sowie Haften und Dichten. Die im Graugusswerkstoff eingelagerten Grafit-lamellen fungieren als Festschmierstoffphasen, wodurch Funktionsflächen bei unzureichender Schmierung über Notlaufeigenschaften verfügen. Des Weiteren beeinflussen sowohl die thermischen als auch die mechanischen Werkstoff-eigenschaften das tribologische Bauteilverhalten in erheblichem Ausmaß, obwohl das Reibungs- und Verschleißverhalten von Werkstoffpaarungen nicht unmittelbar aus deren Eigenschaften abgeleitet werden kann.

Neue Werkzeugkonzepte und Schneidstoffe

Zur Herstellung von Funktionsflächen werden zumeist spanabhebende Verfahren mit geometrisch bestimmter oder geometrisch unbestimmter Schneide eingesetzt. Als Beispiele für Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide sind Honen, Schleifen oder auch Läppen zu nennen. Bei der Feinbearbeitung von Gusswerkstoffen mit geometrisch unbestimmter Schneide stellt die sogenannte Blechmantelbildung ein wesentliches Problem bei der Fertigung von Funktionsflächen dar. Die Blechmantelbildung beschreibt generell eine plastische Materialverformung an der Bauteiloberfläche, welche durch beispielsweise stumpfe Honleisten oder Festwalzverfahren hervorgerufen werden kann. Materialverquetschungen und Verschuppungen auf den bearbeiteten Bauteilflächen setzen die Honriefen zu bzw. überschmieren die Grafitlamellen, sodass die Notlaufeigenschaften der Funktionsflächen minimiert werden [7]. Für die Feinbearbeitung von Funktionsflächen mit geometrisch bestimmter Schneide, wie bspw. Feinbohren oder Reiben, existieren unterschiedlichste Werkzeugkonzepte (Bild 1). Auf Grundlage gegebener Randbedingungen sowie unter Berücksichtigung der Wirtschaftlichkeit werden geeignete Werkzeugkonzepte ausgewählt. Werkzeuge mit Wendeschneidplatten (1), (2) bieten Vorteile durch geringe Werkzeugumlaufkosten, Feinbohrwerkzeuge (2) garantieren höchste Form- und Lagegenauigkeiten, und Mehrschneidenreibahlen (3) überzeugen durch kurze Taktzeiten und eine hohe Ausbringung. Die verschiedenen Werkzeuggrundkörper können hierzu mit unterschiedlichen Schneidstoffen bestückt werden.

Bild 3: a) Auswirkung der Alterungs­erscheinung auf die Zerspanbarkeit, nach [3]; b) Werkzeugstandweg in Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit bei der Feinbearbeitung von GJL und GJV mit PcBN, nach [6]. © Mapal

Im Allgemeinen werden für die Feinbearbeitung von Gusseisenwerkstoffen hauptsächlich beschichtete Hartmetalle (HC) und PcBN-Schneidstoffe eingesetzt. Zur Schlichtbearbeitung von Gusseisen mit Vermiculargrafit (GJV) werden jedoch insbesondere Hartmetallschneidstoffe der Schneidstoffgruppe K verwendet.

Bild 4: Feinbohren von Zylinderlaufflächen eines Grauguss-Zylinderblocks mit Darstellung von Werkzeugkonzept, Schnittparametern und einem Ausschnitt der Funktionsfläche. © Mapal

Hartmetallschneidstoffe der Anwendungsgruppe K10 in Kombination mit einer angepassten Schneidteilgestaltung und Kantenverrundung größer 50 μm ohne zusätzliche Spanformgeometrie bieten ein sehr gutes Standwegverhalten bei Feinbohrprozessen im kontinuierlichen Schnitt. Bei der Zerspanung von Vermicularguss hat eine Schnittgeschwindigkeitssteigerung den größten Einfluss auf das Werkzeugeinsatzverhalten im Vergleich zu einer Erhöhung des Vorschubs und der Zustellung (Bild 3). Im Besonderen bei der Zerspanung von Gusseisen mit Lamellengrafit wird häufig der hochharte Schneidstoff Bornitrid (PcBN) sowie in Sonderfällen auch polykristalliner Diamant (PKD), HC und Cermet verwendet. Die genannten Schneidstoffsorten werden hierbei in Abhängigkeit von der Grafitausscheidungsart im Gusseisen und nach gestellter Bearbeitungsaufgabe eingesetzt. Mit Ausnahme von PcBN sollte die Schnittgeschwindigkeit für die Feinbearbeitung von Gusswerkstoffen zwischen
80 m/min und 220 m/min gewählt werden. Für Schneidstoffe aus Bornitrid gelten hingegen wesentlich höhere Schnittgeschwindigkeiten von bis zu 1.200 m/min.

Zudem sollte im zuletzt genannten Fall die spanende Bearbeitung im Trockenschnitt erfolgen, damit sich durch die erhöhten Zerspantemperaturen die verschleißminimierende Mangansulfid-Schicht an der Werkzeugschneide bilden kann (vergleiche Bild 3b). Dagegen wird für die Schlichtbearbeitung von vermicularem Grauguss die Prozesskonditionierung mit kryogener CO2-Schneekühlung empfohlen, damit die thermische Werkzeugbelastung aufgrund der fehlenden Mangansulfid-Schutzschicht reduziert werden kann [6].

Feinbearbeitung von Zylinderlaufflächen

Die Herstellung der Zylinderlauffläche erfolgt durch eine mehrstufige Prozesskette bestehend aus einem Fein- und einem Feinstbearbeitungsverfahren. Mit dem Fertigungsverfahren Feinbohren (Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide) erhält jede Zylinderbohrung zunächst die geforderte Makrogeometrie (Zylinderform und Position).
Für die Feinbohroperationen werden Aussteuerwerkzeuge mit Feinjustierung eingesetzt. Charakteristisch sind die geringe Spanabnahme und die hohen Schnittgeschwindigkeiten. Zur Schneidenjustierung werden meist Zug-/Druckstangenbetätigungen verwendet beziehungsweise der Kühlmitteldruck, wie es bei dem in Bild 4 dargestellten Werkzeug der Fall ist. Die Schneiden werden zunächst über die Steuerung des Kühlmitteldrucks (circa 50–60 bar) auf den eingestellten Bearbeitungsdurchmesser positioniert und es erfolgt die Bearbeitung der Zylinderbohrung. Nach Beendigung wird der Kühlmitteldruck ausgeschaltet, die justierbaren Wippen mit den Finish-Schneiden heben vom Werkstück ab und das Werkzeug kann rückzugsriefenfrei aus der Bohrung ausgefahren werden. Zudem können die Schneiden über eine stirnseitig positionierte Zentralschraube entweder manuell mit einem Montageschlüssel oder automatisch über eine Justiervorrichtung im Bearbeitungszentrum µ-genau nachgestellt werden, um den Schneidenverschleiß zu kompensieren. Für den anschließenden Honprozess ist ein definiertes Oberflächenprofil gewünscht, welches sich gezielt durch Feinbohroperationen erzeugen lässt. Die Anforderung bezüglich der gemittelten Rautiefe Rz beträgt 8–16 µm.

Die Funktionseigenschaften der Zylinderbohrung werden in einem zweiten Prozessschritt durch Verwendung einer Honahle (Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide) hergestellt. Die daraus resultierende Mikrogeometrie bestimmt die Funktionseigenschaften einer fertiggehonten Oberfläche, welche die tribologischen Zustandsgrößen „Haften“ und „Gleiten“ sowie „Führen“ beinhaltet. Die Zylindrizitätsabweichung nach der Honbearbeitung sollte kleiner als 6 μm sein. Wesentlicher Vorteil des Werkstoffs Grauguss bei der Verwendung im Zylinderblock sind die Notlaufeigenschaften, welche durch die Freilegung der Grafiteinschlüsse gegeben sind. Die Kreuzriefenstruktur ist eine typische, durch den Honprozess bedingte, Oberflächenstrukturierung und führt in Verbindung mit dem freigelegten Grafit zu hervorragenden tribologischen Gleiteigenschaften (Bild 4). Weiterhin führt ein Grafitaustrag zur Bildung von Hohlräumen, welche als Schmiermittelreservoirs fungieren.

Prof. Dr. Eberhard Abele, Geschäftsführender Leiter des Instituts PTW der TU Darmstadt, Dr. Dirk Sellmer, Leiter Forschung und Entwicklung, Mapal Dr. Kress  / ag

Literaturverzeichnis
[1] Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie (BDG): Die Branche in Zahlen. [online] Homepage: BDG - Bundesverband der Deutschen Gießerei-Industrie e. V., URL: http://www.bdguss.de/branche/die-branche-in-zahlen/ #.WBMJ3S2LSUk [Stand: 30.10.2016], 2015.
[2] Lekakh, S. N.; Richards, L.: Cast Iron Machinability - The effect of aging on material properties determines optimal machining time. Modern Casting, 2014.
[3] Berns, H.; Theisen, W.: Eisenwerkstoffe Stahl und Gusseisen. 4. Auflage; Springer-Verlag Berlin Heidelberg ISBN 978-3-642-31923-5, 2008.
[4] Klöpper, C. F.: Untersuchungen zur Zerspanbarkeit von austenitischferritischem Gusseisen mit Kugelgraphit (ADI). Dissertation, WZL, RWTH Aachen, 2007.
[5] Kress J.: Auswahl und Einsatz von polykristallinem kubischem Bornitrid beim Drehen, Fräsen und Reiben. Dissertation, ISF, Technische Universität Dortmund, Vulkan Verlag, Essen, 2007.
[6] Pfeiffer, P.: Technologische Prozessauslegung für die Zerspanung von Gusseisen mit Vermiculargrafit unter kontinuierlichen Schnittbedingungen. Dissertation, PTW, Technische Universität Darmstadt, Shaker Verlag, Aachen, 2014.
[7] Welzel, F.: Tribologische Optimierung von Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren aus fertigungstechnischer Sicht. Dissertation, Fak. für Maschinenbau, Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, 2014.
[8] Mollenhauer, K.; Tschöke, H.: Handbuch Dieselmotoren. 3. Auflage, Springer Berlin Heidelberg New York, ISBN 978-3-540-72164-2, 2007.
[9] Bartels, C.; Gerhards, R.; Hanselka, H.: Gusseisen mit Kugelgraphit Herstellung – Eigenschaften – Anwendung. konstruieren + giessen 32-2007 H.2 ZGV-Zentrale für Gussverwendung im Deutschen Gießereiverband.

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