一,Die Qualitäten von hochfestem Stahl und die Probleme, die bei der Arbeit damit auftreten
Hochfester Stahl ist normalerweise legierter Stahl mit einer Zugfestigkeit von mehr als 1200 MPa. Es kann in zwei Gruppen unterteilt werden: niedrig-legierter Stahl (wie 40Cr, 30CrMnSi) und ultrahochfester Stahl (wie 300M, 45CrNiMoVA). Die Hauptbestandteile davon sind:
Hohe Härte und Zähigkeit: Nach dem Abschrecken oder Anlassen kann die Härte HRC30–50 erreichen, die Zugfestigkeit erreicht 1500 MPa und die Zähigkeit bleibt gut. Das bedeutet, dass es sehr schwer zu schneiden ist und die Schnittkraft 1,2–1,5 Mal höher ist als die von normalem Stahl.
Geringe Wärmeleitfähigkeit: Die Wärmeleitfähigkeit beträgt nur 1/3 bis 1/4 der von Stahl mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Die Schneidwärme entsteht hauptsächlich im Bereich der Werkzeugspitze, wodurch das Werkzeug schnell verschleißen kann.
Tendenz zur Kaltverfestigung: Beim Schneiden bildet sich auf der Randschicht eine verhärtete Schicht. Diese Schicht ist 50 bis 100 % härter als das darunter liegende Material, was das Schneiden noch schwieriger macht.
Schwer zu brechende Späne: Durch die hohe Plastizität bilden die Späne durchgehende Bänder, die leicht im Werkzeug und Werkstück stecken bleiben können, was die Bearbeitung weniger stabil macht.
Diese Eigenschaften führen bei der Bearbeitung mit herkömmlichen Methoden zu Problemen wie Werkzeugbruch, schnellem Verschleiß und schlechter Oberflächenqualität. Die entscheidende Frage ist, ob die CNC-Bearbeitung diese Herausforderungen meistern kann.
2, Eine Untersuchung, wie gut die CNC-Bearbeitungstechnologie mit hochfestem Stahl funktioniert
Die numerisch gesteuerte Bearbeitung hilft bei der Herstellung von hochfestem Stahl, indem Sie Bewegungen mit hoher Präzision steuern, Werkzeuge automatisch wechseln und viele Achsen miteinander verknüpfen können. Wie anpassungsfähig es ist, können Sie auf folgende Weise erkennen:
1. Strenge Regeln für Werkzeugmaschinen
Die Verarbeitung von hochfestem Stahl erfordert Werkzeugmaschinen, die mit hochsteifen Spindeln und Führungsschienensystemen ausgestattet sind, die erhebliche Schnittkräfte aushalten können. Beispielsweise können CNC-Werkzeugmaschinen mit fünf-Achsenverbindungen Vibrationen bei der komplexen Oberflächenbearbeitung reduzieren und die Bearbeitung stabiler machen, indem sie das Strukturdesign und die Bewegungssteuerungsalgorithmen verbessern. Das in der Luftfahrt eingesetzte Fünf-Achsen-Bearbeitungszentrum verfügt über eine Schnittfunktion mit konstanter linearer Geschwindigkeit, die die Schnittgeschwindigkeit beim Fräsen konischer und sphärischer Flächen gleich hält. Dadurch wird verhindert, dass das Werkzeug bei schwankender Drehzahl überlastet wird.
2. Verbesserung der Materialien und Formen von Werkzeugen
Da hochfester Stahl so stark ist, müssen Werkzeugmaterialien das richtige Gleichgewicht zwischen Härte, Zähigkeit und thermischer Stabilität finden:
Schneidwerkzeuge aus Hartlegierung eignen sich gut für raue Bearbeitungen. Sie werden durch die Zugabe von Karbiden wie TiC und TaC verbessert. Wenn Sie beispielsweise mit Schneidwerkzeugen aus austenitischem Edelstahl 2169 und hartlegierten Schneidwerkzeugen der Güteklasse YH1 arbeiten, können Sie eine Oberflächenrauheit von Ra0,8–1,6 μm erzielen, wenn Sie einen Vorderwinkel von 22 Grad und einen Hinterwinkel von 10 Grad sowie eine Kühlung mit schwefelhaltigem Schneidöl verwenden.
Beschichtete Schneidwerkzeuge: Eine TiAlN-Beschichtung kann die Oberfläche von Schneidwerkzeugen härter als 3500 HV machen und die Wahrscheinlichkeit von Sichelverschleiß verringern. Tests haben gezeigt, dass Werkzeuge mit Beschichtung bei der Arbeit mit 300M-Stahl dreimal länger halten als Werkzeuge ohne Beschichtung.
Ein Schneidwerkzeug aus kubischem Bornitrid (CBN) eignet sich gut für die Präzisionsbearbeitung und hält Temperaturen von bis zu 3000 HV stand. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 50 m/min und einem Vorschub von 0,1 mm/s kann eine Oberflächenrauheit von Ra0,4 μm oder weniger erreicht werden.
Geometrische Parameter des Schneidwerkzeugs: ein kurzer Spanwinkel (0 Grad – 5 Grad), ein großer Spanwinkel (10 Grad – 15 Grad) und ein gebogenes Kantendesign, das die Schneidkraft verteilen und die Gefahr eines Kantenbruchs verringern kann. Beispielsweise kann ein Werkzeugspitzenradius von r größer oder gleich 0,8 mm die Lebensdauer eines Werkzeugs bei der Arbeit mit 300M-Stahl erheblich verlängern.
3. Die Einstellungen zum Schneiden und zum Abkühlen
Schnittgeschwindigkeit: Bei der Schruppbearbeitung wird die Geschwindigkeit niedrig gehalten (15–50 m/min), um die thermische Belastung zu verringern. Für die Präzisionsbearbeitung wird die Geschwindigkeit auf 80–120 m/min erhöht, um den thermischen Entfestigungseffekt zu nutzen. Der Grobbearbeitungstest von 300M-Stahl zeigt, dass die Schnittkraft moderat und die Oberflächenqualität gut ist, wenn die Schnittgeschwindigkeit 150 m/min, die Vorschubgeschwindigkeit 0,2 mm/s und die Schnitttiefe 1 mm beträgt.
So kühlen Sie: Hochdruckkühlmittel (Druck größer oder gleich 7 MPa) können in den Schneidbereich gelangen und die Temperatur um mehr als 40 % senken. Bei Chipmaterialien, die schwer zu brechen sind, können Pulskühlungstechnologien dazu beitragen, dass die Chips brechen.
Auswahl der richtigen Schneidflüssigkeit: Eine Hochdruckemulsion, die Schwefel- und Chlor-Hochdruckzusätze enthält, kann eine chemische Adsorptionsschicht bilden, die verhindert, dass das Werkzeug in direkten Kontakt mit dem Werkstück kommt. Beispielsweise kann der Einsatz eines aktiven Kühlmittels mit CCL4 bei der Arbeit mit Hochtemperaturmetallen die Lebensdauer der Werkzeuge um 50 % verlängern.
3, Häufige Anwendungen der CNC-Bearbeitung für hochfesten Stahl
1. Herstellung von Teilen für Luftfahrtschmiedeteile
Für die Luftfahrt haben Gesenkschmiedeteile aus hochfestem Stahl, wie zum Beispiel der hintere Endrahmen von Treibstofftanks, komplizierte Formen und starke Materialien. Die herkömmliche Verarbeitung ist langsam und erfordert viel Spannen. Durch den Einsatz der optischen Scan-Reverse-Modellierung konnten wir die Rohlingszugabe nach der Umstellung auf die Fünf-{3}Achsen-CNC-Bearbeitungstechnologie präzise positionieren. In Kombination mit Schneidtests, um die besten Einstellungen zu finden (z. B. eine Schnittgeschwindigkeit von 60 m/min und eine Vorschubgeschwindigkeit von 0,05 mm/U), wurde die Zeit, die für die Bearbeitung eines Stücks benötigt wurde, um 40 % verkürzt und die Oberflächenrauheit erreichte Ra0,8 μm.
2. Arbeiten an den Wellen von Pkw-Getrieben
40Cr-Stahl, der für Kfz-Getriebewellen verwendet wird, muss sehr widerstandsfähig gegen Ermüdung sein. Durch die Verwendung von beschichteten Hartlegierungs-Schneidwerkzeugen mit einem Vorderwinkel von 5 Grad und einem Hinterwinkel von 12 Grad beim CNC-Drehen sowie beim Schneiden mit konstanter linearer Geschwindigkeit (Oberflächengeschwindigkeit 120 m/min) hält das Werkzeug bei der Stapelverarbeitung mehr als 2 Stunden und die Produktqualifizierungsrate steigt auf 99,5 %.
