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EFB-Forschungsbericht Nr. 341

Herstellung von Schneidaktivelementen mittels Verbundguss

efb341.jpg

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Hartmut Hoffmann, Prof. Dr.-Ing. Wolfram Volk, Dipl.-Ing. Martin Ostermair, Lehrstuhl für Umformtechnik und Gießereiwesen der Technische Universität München

100 Seiten (sw, 61 Abb., 9 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-378-3

Preis (Digital) EUR 52,00

Preis (Print) EUR 59,00

Zusammenfassung

Bei der Herstellung von Aktivelementen von Schneidwerkzeugen werden sehr hohe Anforderungen an die Standzeiten und die Verschleißbeständigkeit der verwendeten Werkstoffe gestellt. Dies führt zum Einsatz hochwertiger und hochpreisiger Werkstoffe.

Um Material- und Herstellungskosten zu senken, gibt es unter anderem die Möglichkeit, die Aktivelemente hinsichtlich des Werkstoffes belastungsangepasst zu konstruieren. Dabei werden für die jeweils unterschiedlich beanspruchten Bereiche des Werkzeugs verschieden verschleißfeste Werkstoffe als Einsätze verwendet. Ein wichtiger Aspekt beim Verwenden verschiedener Werkstoffe ist der Verbund der beiden Komponenten. Möglichkeiten für den Verbund  bestehen beispielsweise durch Verschrauben
oder Hartlöten.

Ein für diese Anwendungen bislang noch nicht verwendeter Lösungsansatz stellt das Verbundgießen dar. Durch dieses Verfahren können die Potentiale beider Werkstoffe - ein hochwertiger Werkstoff in Bereichen hoher Belastung im Schneidprozess und hohen Anforderung an die Verschleißbeständigkeit, und ein weniger hochwertiger, dafür kostengünstigerer Werkstoff in Form von Gusseisen in Bereichen geringerer Belastungen oder Anbindungsbereichen - optimal genutzt werden.

Ziel der Forschungsarbeit war es die Methode zur Herstellung von Schneidaktivelementen mittels Verbundguss auf den industriellen Anwendungsfall zu übertragen. Hierzu wurden zunächst in Grundlagenversuchen entscheidende Prozessparameter für die optimale Ausbildung einer stoff- und/ oder zumindest formschlüssigen Verbindung zwischen Umguss (EN-GJL-250) und Grundkörperwerkstoff (PM-Stahl, Hartmetall) ermittelt.

Ferner wurde über die systematische Untersuchung des Einflusses des Gewichtsverhältnisses von Grundkörper zu Umguss und der Variation der Abkühlbedingungen eine mögliche thermische Vergütung des PM-Stahls durch den Wärmeeintrag der Gussschmelze untersucht. Auf Basis der erlangten Erkenntnisse wurden Versuchsschneidwerkzeuge (Aktivelemente) aufgebaut und in Dauerhubversuchen Verschleißuntersuchungen durchgeführt und somit der Nachweis der Praxistauglichkeit der Methode erbracht.

Das Forschungsziel, die Herstellung von Schneidaktivelementen mittels Verbundguss durch Umgießen von PM-Stahl sowie Hartmetallschneidleisten mit Gusseisen auf den industriellen Anwendungsfall zu übertragen, wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Herstellung von Schneidaktivelementen mittels Verbundguss“ wurde unter der Fördernummer AiF 15877N von der Forschungsvereinigung EFB e.V. finanziert und betreut und über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 341 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Schlagwörter: Verbundgießen, Schneidwerkzeuge, Schneidaktivelemente, Scherschneiden, Verschleiß

Abstract

Composite cast represents a novel process for manufacturing high performance cut-ting tools. In the conventional production of cutting tools, the cutting edges are for example hardened, hardened and coated, build-up welded or have to be built as screw-in inserts. In contrast to this, composite casting recasts a high quality material (PM-steel/cemented carbide) with a cost-effective material (cast iron EN-GJL-250). This process allows to use the full potential of both materials: high quality material in regions of high load during the blanking operation and increased requirements in terms of resistance to wear and tear, plus cast iron as a cost-effective material in re-gions of lesser mechanical load or areas of join. Goal of the project was to qualify composite casted cutting tools for the industrial use.

The focus of research was the quality and formation of the joint zone between the high quality material and the cast iron. Therefore was examined the influence of the mass scale between the PM-Steel/cemented-carbid and the cast iron. Furthermore, the potential integration of a quenching and tempering process of the PM-Steel by controlling and timing the cooling-off after the recasting process was examined closer. Moreover, composite casted cutting tools were built up and used for cutting experiments in order to examine wear and tool life quantity in continuous stroke. By the use of this novel concept, material costs can be reduced, as well as the tool life quantity can be increased.

Keywords: Composite Casting, Cutting Tool, Shearing, Wear, Sheet Metal

Inhalt

Kurzzusammenfassung
Abstract
Inhaltsverzeichnis
1Einleitung
2Grundlagen und Stand der Technik
2.1Scherschneiden
2.1.1Verfahrenseinteilung und Beschreibung
2.1.2Scherschneidvorgang
2.1.3Schneidkraftberechnung
2.1.4Kräfte und Momente beim Scherschneiden
2.1.5Werkzeugverschleiß
2.1.6Werkzeugwerkstoffe
2.1.7Ausführungen von Scherschneidwerkzeugen
2.1.7.1Gehärtete Scherschneidwerkzeuge
2.1.7.2Oberflächenbehandelte Scherschneidwerkzeuge
2.1.7.3Keramische Scherschneidwerkzeuge
2.1.7.4Verschraubte Schneidkanten
2.1.7.5Hartgelötete Schneidkanten
2.1.7.6Auftragsgeschweißte Schneidkanten
2.2Verbundgießen
2.2.1Definition von Verbundguss
2.2.2Anwendungsbereich Verbundguss
2.2.3Verfahren Verbundgießen
2.2.3.1Synchron- und Klöcknerverbundgießen
2.2.3.2Schleuderverbundgießen
2.2.3.3Schalenverbundgießen
2.2.3.4Schichtverbundgießen
2.2.3.5Angießen an Werkstückflächen
2.2.3.6Überström- bzw Durchfließverfahren
2.2.4Verfahrensbewertung
2.2.5Werkstoffkundliche Grundlagen
2.2.5.1Voraussetzungen Verbundbildung
2.2.5.2Ablaufende Mechanismen Verbundbildung
3Problemstellung, Zielsetzung und Aufgabenstellung
4Grundlagenuntersuchungen Verbundguss
4.1Versuchsbeschreibung
4.1.1Verwendete Werkstoffe
4.1.2Versuchsreihen
4.1.3Versuchsaufbau
4.1.3.1Simulative Auslegung Gussform
4.1.3.2Gussform und Abguss der Versuchsprobekörper
4.1.4Versuchsauswertung
4.1.4.1Lichtmikroskop
4.1.4.2Mikrohärtemessung
4.1.4.3Zug-Druck-Prüfeinrichtung
4.2Ergebnisse
4.2.1Direkte und indirekte Vorwärmung Inserts
4.2.2Verbundbildung: Gießtemperatur und indirekte Vorwärmung
4.2.3Verbundbildung: Einfluss Oberflächenstruktur Inserts
4.2.4Einfluss Masse-Gewichtsverhältnis auf Härteausbildung
4.2.4.1Einfluss Werkstoffgüten auf die Verbundbildung
4.3Zusammenfassung Grundlagenversuche
5Schneidaktivelemente aus Verbundguss
5.1Versuchsbeschreibung
5.1.1Versuchsform
5.1.2Versuchsreihen und Werkstoffe
5.1.3Versuchsdurchführung Standzeitbestimmung - Presse und Werkzeug
5.1.4Versuchsauswertung
5.2Versuchsergebnisse
5.2.1Standzeit der untersuchten Schneidaktivelmente
5.2.2Hartmetall
5.2.3Vergleich Trennen trocken und mit Schmiermitteleinsatz
5.2.4Trennen weiterer Blechwerkstoffgüten
5.3Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5.4Ableitung von Gestaltungsrichtlinien
6Zusammenfassung und Ausblick
7Verzeichnisse
7.1Abbildungsverzeichnis
7.2Tabellenverzeichnis
7.3Literaturverzeichnis