DE10134573C2 - Verfahren zur Verringerung eines Verschleißes an einem Werkzeug bei einer spanabhebenden Metallbearbeitung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung eines Verschleißes an einem Werkzeug bei einer spanabhebenden Metallbearbeitung bzw. generell bei einer Schneidoperation an metallischen Werkstücken.

Es ist allgemein bekannt, dass in der metallverarbeitenden Industrie eine große Vielzahl von spanabhebenden Bearbeitungen durchgeführt werden, wie bsp. ein Drehen, Bohren, Gewindeschneiden usw., wobei die zu bearbeitenden Werkstücke aus Aluminium, Gußeisen, Stahl usw. bestehen. Die Bearbeitung wird an vorgefer­ tigten Teilen vorgenommen, so bsp. in der Automobilindustrie an Zylinderköpfen, Maschinenblöcken, Nockenwellen usw.. In der Regel werden dabei Werkzeuge verwendet, die aus teuren Werkzeugstählen oder auch aus Keramikstoffen, wie bsp. Wolframcarbid usw., bestehen. Diese Werkzeuge müssen zur Sicherstellung einer präzisen Bearbeitung mit einer Vorgabe von meistens sehr engen Fertigungs­ toleranzen in bestimmten Zeitabschnitten ersetzt oder für eine Beseitigung des bei der Bearbeitung aufgetretenen Verschleißes überholt werden. Durch den Ver­ schleiß erfahren die Werkzeuge häufig ein nachteiliges Vibrationsverhalten, sodass die Bearbeitung der Werkstücke entsprechend ungenau wird.

Ein häufiger Ersatz der Werkzeuge bei der Metallbearbeitung verteuert die Werk­ zeugkosten und führt bei den Werkzeugmaschinen zu unerwünschten Auszeiten, die für ein Umrüsten benötigt werden und im Einzelfall oft länger dauern können, bis mit einem neuen Werkzeug weitergearbeitet werden kann. Zur Vermeidung solcher Nachteile wurden daher in den fetzten Jahren hauptsächlich Verbesserungen für die verwendeten Werkstoffe angestrebt, wobei insbesondere die etwas verschleißfeste­ ren Keramikstoffe oder auch durch Dampf abgeschiedene Hartbeschichtungen für die Werkzeuge eingesetzt wurden. Auch diese Ansätze zur Beherrschung des Ver­ schleißproblems an Werkzeugen, die bei der Metallbearbeitung eingesetzt werden, sind jedoch mit höheren Kosten verbunden.

Aus der Literatur ist der Vorschlag bekannt, dass das Verschleißproblem bei Schneidoperationen an dabei ungeschmierten Werkstücken bei Anwesenheit von elektrischen Strömen durch eine Unterstützung mit thermisch induzierten elektro­ motorischen Kräften beeinflußt werden kann. Die Autoren eines Artikels, der er­ schienen ist in "Annals of Cirp, Vol. XVII Seite 39, 1969" konnten jedoch nicht bes­ tätigen, dass mit dieser Maßnahme ein Verschleiß der Werkzeuge nennenswert verringert wurde. Aus der US-PS 4 714 529 ist der Vorschlag bekannt, durch einen elektrischen Strom die Reibung bei einer geschmierten Lagerberührung bsp. zwi­ schen einem Kolben und einem Zylinder dadurch zu verringern, dass aus dem vor­ handenen Schmiermittel ein Eisenphosphatfilm an der Berührungsfläche abge­ schieden wird. Aus der US-PS 5 666 839 ist für ein Drahtziehen der Vorschlag be­ kannt, einen Gleichstrom zwischen einer geschmierten Ablauftrommel und einem Kupferdraht noch vor dem Einzug in eine Ziehdüse anzulegen. Es ist hier noch dar­ auf hingewiesen, dass bei dieser Operation das in dem Schmiermittel enthaltene Wasser zu einem Wasserstoffgas zerlegt wird, welches die Bildung eines Oxidfil­ mes unterbricht und dazu beiträgt, die plastische Verformung von reinem Kupfer zu erleichtern und die Reibung in der Ziehdüse zu erniedrigen.

Aus der DD-PS 114 284 ist ein Verfahren zur Verfestigung von Metalloberflächen für eine Verschleißminderung bsp. von Spiralbohrern bekannt, die aus normalen Werkzeugstahl oder aus einem Cr-Ni-Stahl bestehen können. Die Verfestigung wird dabei durch eine stromlose Metallabscheidung erhalten, indem bestimmte elektropositivere (unedlere) Metalle, wie bsp. Chrom oder Mangan, durch eine so­ genannte tribogalvanische Metallabscheidung aus einer wässrigen oder nichtwäss­ rigen Lösung bei Raumtemperatur in das zu verfestigende und dabei elektronegati­ vere Metall des Werkzeuges entweder einmalig vor seiner Verwendung oder konti­ nuierlich während der Verwendung eingebaut werden.

Aus der US-PS 5 045 161 ist ein Verfahren zur Metallbearbeitung bekannt, bei dem die mechanische Formgebung elektrolytisch unterstützt wird. Das Werkzeug für die Metallbearbeitung ist dabei als Kathode und die zu bearbeitende Fläche als Anode geschaltet. Zwischen die zu bearbeitende Fläche und das Werkzeug wird ein Elekt­ rolyt, bsp. Natriumchlorid, eingebracht, um bei Stromstärken zwischen etwa 100 und 1.000 A eine Materialentfernung von dem Werkstück zu unterstützen. Aus der EP 0 192 773 A1 ist daneben noch ein Schneid- und Schleifverfahren bekannt, bei dem auf eine anodisch gepolte Schleifscheibe und zwischen Schleifscheibe und zu bearbeitendem Werkstück ein Elektrolyt aufgebracht wird zur Erzielung eines ver­ besserten Wirkungsgrades während der Bearbeitung eines Werkstückes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art bereitzustellen, welches mit geringeren Kosten den bei einer Metallbearbeitung an einem Werkzeug auftretenden Verschleiß in engeren Grenzen hält, verbunden mit der Zielsetzung ein Vibrationsverhalten des Werkzeuges während einer Schneidoperation zu unterbinden und damit die Bearbeitung von metallischen Werkstücken mit einer hohen Präzision über längere Zeiträume sicher zu steilen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der durch den Patentanspruch 1 angege­ benen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass für die Dauer der Bearbeitung das Werkzeug mit der Anode und das Werkstück mit der Kathode einer Gleich­ stromquelle verbunden werden, und dass die an dem Bearbeitungsort des Werk­ zeuges in Bezug auf das Werkstück vorhandene Grenzfläche ständig mit einem als Elektrolyt wirkenden Schmiermittel überflutet wird, wobei als Schmiermittel eine Emulsion aus Wasser und Öl verwendet wird, die elektrolytisch abscheidbare Ele­ mente enthält, weiche während der Bearbeitung des Werkstückes durch Regelung des an der Grenzfläche fließenden Stromes in einem Bereich von 25 bis 500 mA an dem Werkzeug zur Abscheidung gebracht werden.

Durch die Erfindung wird somit für die spanabhebende Metallbearbeitung oder ge­ nerell für eine Schneidoperation an metallischen Werkstücken eine anodische Ab­ scheidung von Elementen an dem Werkzeug vorgesehen. Die Elemente werden dem Schmiermittel dadurch während der Bearbeitung entzogen, dass das an der Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück im Überfluß vorhandene Schmier­ mittel durch das Anlegen eines elektrischen Stromes als Elektrolyt wirksam ist. Ver­ suche haben insoweit gezeigt, dass die anodische Stoffabscheidung an dem Werk­ zeug eine wesentlich verlängerte Standzeit der Werkzeuge ergibt und auch deren Vibrationsverhalten erheblich reduziert. Bei Vergleichen mit einer kathodischen Stoffabscheidung an dem Werkzeug wurden jedoch keine ebenso positiven Ergeb­ nisse erhalten.

Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens sind mit den Merkmalen der einzelnen Ansprüche angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend an­ hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schemadarstellung einer Bearbeitungsstation für eine spanabhebende Metallbarbeitung bzw. eine Schneidoperation, für welche Vorkehrungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens getroffen sind,

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht zur Darstellung der Verhältnisse, die bei einer An­ wendung des Verfahrens an einer Grenzfläche zwischen Werkzeug und Werkstück vorliegen,

Fig. 3 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des Verschleißes an der Schneidfläche eines Werkzeuges in Abhängigkeit von der Schneidlänge, wenn die Schneidoperation bei Abwesenheit oder bei Anwesenheit eines elektrolytisch wirkenden Schmiermittels durchgeführt wird,

Fig. 4 eine Schemaansicht einer Vorrichtung, die zum Nachweis des verringerten Verschleißes bei Anwesenheit eines elektrolytisch wirkenden Schmiermit­ tels benutzt wurde,

Fig. 5 eine grafische Darstellung zur Veranschaulichung des mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 gemessenen Verschleißes in Abhängigkeit von unterschiedli­ chen Stromstärken des durch das Schmiermittel fließenden Stromes und

Fig. 6 eine grafische Darstellung der Profilhöhen, die bei der Untersuchung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 4 mit verschieden hohen Stromstärken gemes­ sen wurden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verringerung eines Verschleißes an einem Werkzeug bei einer spanabhebenden Metallbearbeitung oder Schneidoperation an metallischen Werkstücken kann mit der Anbringung einer geschmierten elektro­ chemischen Zelle 10 an einer Bearbeitungsmaschine 11 verglichen werden. Die Bearbeitungsmaschine kann eine herkömmliche Ausbildung haben und es handelt sich dabei bsp. um eine Drehbank, eine Bohrmaschine usw., bei welcher jedenfalls eine relative Bewegung zwischen dem Werkzeug und dem zu bearbeitenden Werk­ stück stattfindet. Der eigentliche Bearbeitungsort stellt sich dabei dar als eine ge­ schmierte Grenzfläche 12 wenigstens zwischen einem Teilbereich des Werkzeuges 13 und dem zu bearbeitenden Werkstück 14, die beide aus einem leitfähigen Mate­ rial bestehen sollen. Das Werkstück kann bsp. auf einem Drehtisch eines Maschi­ nenständers 25 angeordnet sein, an welchem der Drehtisch durch einen Wellen­ zapfen 26 drehbar abgestützt ist. Bei einer solchen Anordnung muß gewährleistet sein, dass sowohl der oberhalb des Werkstücks 14 angeordnete Werkzeughalter 15 für das Schneidwerkzeug 13 wie auch das Werkstück 14 gegenüber den umgeben­ den Teilen der Bearbeitungsmaschine 11 elektrisch isoliert sind, was bsp. mit der Anbringung von elektrisch isolierenden Schichtmaterialien 16, wie bsp. Gummi, an den passenden Orten erreicht werden kann. In dieser Hinsicht kann bsp. auch ein Drehlager für den Drehzapfen 26 des Drehtisches für eine solche elektrische Isolie­ rung bereits als ausreichend angesehen werden, weil das Drehlager, wie bsp. das für die Vorrichtung nach Fig. 4 vorgesehene Drehlager 42, eine so kleine Kontakt­ fläche mit dem Drehzapfen ergibt, dass an dieser Stelle praktisch kein Stromverlust für die elektrochemische Zelle 10 vorhanden ist.

Die elektrochemische Zelle 10 ist mit einer Gleichstromquelle gebildet, für welche bsp. eine separate Batterie 17 zur Verfügung stehen kann, abgesehen von einer Stromquelle, die in die Maschine eingebaut ist. Die Batterie 17 ist über Anschlußlei­ tungen 18 und 19 mit dem Werkzeug 13 und mit dem Werkstück 14 verbunden, die daher als Anode und als Kathode geschaltet sind, sodass zwischen beiden ein Strom fließen kann, der dabei durch ein Schmiermittel 20 hindurchgeht, mit wel­ chem die zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück vorhandene Grenzfläche ständig überflutet wird. Das Schmiermittel 20 bildet einen Elektrolyten, bei welchem es sich um eine Emulsion aus etwa 90% Wasser und etwa 10% Öl handeln kann. Das Öl enthält verschiedene elektrisch abscheidbare Elemente, die somit bei einem Stromfluss durch das Schmiermittel 20 mit einer mittels eines Spannungsreglers 21 geregelten Stromstärke in dem Bereich von etwa 25 bis 500 mA eine elektrolytische Abscheidung an dem Werkzeug erfahren. Als Beschichtungselemente kommen insbesondere Zink, Calcium, Natrium, Schwefel und Phosphor in Betracht.

Wenn mit der Bearbeitung des Werkstückes 14 durch das Werkzeug 13 begonnen wird, dann wird dabei als Folge einer relativen Bewegung eine Schneidoberfläche 22 geschaffen, die abhängig ist von dem Vorschub in der Schneidrichtung, der Schneidtiefe und auch den Materialien, die an der Grenzfläche zwischen dem Werkzeug und dem Werkstück zusammenwirken. Durch das Vorhandensein der elektrochemischen Zelle 10 wird nun ein verringerter Verschleiß sowohl für die Schneidbrust 23 wie auch für die Flankenfläche 24 des Werkzeuges 13 erhalten, verbunden mit einem so lange verzögerten Vibrationsverhalten der Grenzfläche, bis der Verschleiß an dem Werkzeug eine bestimmte Grenze übersteigt.

Für die Wirksamkeit der elektrochemischen Zelle 10 kann vorausgesetzt werden, dass solange der Stromfluß durch das Schmiermittel in dem angegebenen Bereich der Stromstärke zwischen etwa 25 bis 500 mA geregelt wird, kontinuierlich dünne Filme, an dem Werkzeug abgeschieden werden. Diese abgeschiedenen Filme 27 enthalten eines oder mehrere der vorerwähnten in dem Öl des Schmiermittels enthaltenen Elemente. Dabei kann es sich sehr wohl auch um Oxide des in dem Schmiermittel enthaltenen Schwefels oder Phosphors handeln, aber auch um Oxide des Metalls, aus welchem das Werkstück 14 besteht. Obwohl für diese elektrolytische Abscheidung der in dem Schmiermittel enthaltenen Elemente auch das als Kathode geschaltete Werk­ stück 14 in Betracht kommt, ist jedoch feststellbar, dass die Abscheidung ungleich stärker ausfällt an dem als Anode geschalteten Werkstück 13. Die enthaltenen Elemente werden für diese Abscheidung während der Bearbeitung mehr oder weni­ ger präzise an dem Bearbeitungsort aufgebraucht, wo sich ein Span 28 von der Oberfläche 22 des Werkstückes 14 ablöst. Die anodische Abscheidung der Elemen­ te kann eine Filmdicke von etwa 50 bis 150 Nanometer annehmen.

Fig. 3 zeigt eine Grafik, bei welcher für Messungen des Verschleißes an der Flanke 24 des Werkzeuges 13 verschiedene elektrochemische Zellen 10 untersucht wur­ den. Für das Abdrehen eines kalt gewalzten Stahles bei 1200 U/min mit einer Schneidtiefe von 0.15 mm und einem Vorschub von 0.125 mm pro Umdrehung wurde ein Werkzeug mit einem Carbideinsatz verwendet und wurde dafür die Kenn­ linie 30 aufgenommen, die somit bei zunehmender Schnittlänge einen zunehmen­ den Materialverschleiß ausweist, solange kein Stromfluß durch das an der Grenz­ fläche anwesende Schmiermittel geregelt wurde. Die Kurve 30 weist dabei einen höheren Verschleiß auf als eine Vergleichskurve 31, die einen etwa parallelen Ver­ lauf zeigt und für einen kathodischen Anschluß des Werkzeuges mit einer auf 500 mA geregelten Stromstärke aufgenommen wurde. Die beiden Kurven 30 und 31 zeigen somit, dass an der Flanke 24 des Werkzeuges 13 ein mit der Zeit rasch ansteigender Verschleiß auftritt, wobei der Verschleiß eine lineare Erhöhung erhält und daher bei noch größeren Schneidlängen eine weitere Erhöhung erfährt. Im Ge­ gensatz dazu ist mit den Kennlinien 32 und 33 ein Verschleiß aufgenommen, der mit einer anodischen Schaltung des Werkzeuges unter sonst gleichen Schneidbe­ dingungen erhalten wird. Die Kurve 32 wurde für eine geregelte Stromstärke von 500 mA und die Kurve 33 für eine geregelte Stromstärke von 200 mA erhalten. Im Vergleich zu den Meßkurven 30 und 31 wird damit ein um etwa 22% niedriger Ver­ schleiß an der Flanke 24 des Werkzeuges 13 ausgewiesen, wobei der niedrigste Verschleiß beiden kürzeren Schneidlängen von etwa 60 bis 125 m vorhanden ist. In diesem Zusammenhang ist noch festzuhalten, dass ähnliche Ergebnisse wie hier für ein Hobeln auch für ein Drehen und für ein Bohren von Werkstücken erhalten werden konnten.

Um die mit einer elektrochemischen Zelle erreichbaren Vorteile einer Verringerung des Verschleißes an einem Werkzeug noch weiter zu manifestieren, wurde zum Vergleich eine Vorrichtung der Ausbildung gemäß Fig. 4 konzipiert. Eine Scheibe 41 aus gehärtetem Stahl 4340 wurde auf einem Drehtisch 51 angeordnet, der mit einem Lager 42 drehbar gelagert war. Auf die drehende Scheibe 41 wurde mit einer Stahlkugel 43 aus gehärtetem Stahl 52.100 eingewirkt. Die Kugel hatte einen Durchmesser von 6.35 mm und wurde von einem Kugelhalter 44 zur Simulierung eines Schneidwerkzeuges gehalten. Die Kugel wurde gegen die mit einer Drehzahl von etwa 72 U/min gedrehte Scheibe 41 angedrückt bei einem anfänglichen Kon­ taktdruck von etwa 0.7 GPa, der mit Totgewichten 45 erhalten wurde, die von dem Ende eines Haltearmes 46 für den Kugelhalter 44 herabhingen. Die Totgewichte hatten ein Gewicht von etwa 4.4 N. Zur Bereitstellung einer elektrochemischen Zelle wurde eine Stromquelle 52 installiert, durch welche die Kugel 43 entweder einen anodischen oder einen kathodischen Anschluß erhielt. Die Kugel war gegen die umgebenden Bereiche der Vorrichtung durch eine Plexiglasplatte 47 isoliert. Es wurde weiterhin ein Behälter 48 bereitgestellt, welcher mit einem Schmiermittel 49 bis zu einer Höhe oberhalb der Grenzfläche 50 zwischen der Kugel 43 und der Scheibe 41 gefüllt wurde. Bei dem Schmiermittel handelte es sich um ein herkömm­ liches Motoröl, das bei Raumtemperatur oder bei 100°C gehalten wurde. Für die so bereitgestellte elektrochemische Zelle wurde der Strom zwischen 5 und 2950 mA geregelt. Der Verschleiß an der Kugel wurde durch Messung der Eindrücktiefe der Kugel 43 in die Scheibe 41 längs der Spur berechnet, die bis zum Ende des Tests erhalten wurde. Die Fig. 5 zeigt den Einfluß der Stromstärke auf den für die Kugel gemessenen Verschleiß und zeigt auch die unterschiedliche Wirkung bei einem anodischen und bei einem kathodischen Anschluß der Kugel. Der Verschleiß wird im Vergleich zu der Abwesenheit eines Stromes um etwa 80% verringert, wenn die Stromstärke auf 100 mA bei einer anodischen Schaltung der Kugel geregelt wurde. Der Verschleiß hat etwa eine gleiche Größenordnung bei einer Stromstärke von 25 mA, jedoch ist er geringer bei einer Stromstärke von 10 mA, und er ist gleich oder größer als der Verschleiß bei Abwesenheit eines Stromes, wenn die Kugel einen kathodischen Anschluß erhält.

Zur Messung der Eindringtiefe der Kugel wurde ein Profilmeßgerät benutzt, mit wel­ chem die Materialentfernung von dem Werkstück gemessen wurde, wenn mit der vorbeschriebenen Vorrichtung die Kugel entweder anodisch oder kathodisch ge­ schaltet war und wenn die Stromstärken mit 25 und 100 mA geregelt waren. Aus dem Schaubild der Fig. 6 ist klar ersichtlich, dass bei einer anodischen Schaltung der Kugel eine bedeutsame Materialentfernung bei einer geregelten Stromstärke von 100 mA erhalten wird, wie ausgewiesen mit der Kurve 60, und dass bei einer Stromstärke von 25 mA etwas weniger Material entfernt wird, wie ausgewiesen durch die Kurve 61. In beiden Fällen wird dabei wesentlich mehr Material entfernt, als dann, wenn kein Strom vorhanden ist, wie ausgewiesen durch die Kurve 62. Bei einer kathodischen Schaltung der Kurve wird ebenfalls wesentlich weniger Material entfernt, und zwar sowohl bei einer Stromstärke von 100 mA, wie ausgewiesen durch die Kurve 63, als auch bei einer Stromstärke von 25 mA, wie ausgewiesen durch die Kurve 64.

Claims (6)

1. Verfahren zur Verringerung eines Verschleißes an einem Werkzeug bei einer spanabhebenden Metallbearbeitung oder Schneidoperation an metallischen Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, dass für die Dauer der Bearbeitung das Werkzeug (13) mit der Anode und das Werkstück (14) mit der Kathode einer Gleich­ stromquelle (17) verbunden werden, und dass die an dem Bearbeitungsort (22, 24) des Werkzeuges (13) in Bezug auf das Werkstück (14) vorhandene Grenz­ fläche ständig mit einem als Elektrolyt wirkenden Schmiermittel (20) überflutet wird, wobei als Schmiermittel (20) eine Emulsion aus Wasser und Öl verwen­ det wird, die elektrolytisch abscheidbare Elemente enthält, welche während der Bearbeitung des Werkstückes (14) durch Regelung des an der Grenzfläche fließenden Stromes in einem Bereich von 25 bis 500 mA an dem Werkzeug (13) zur Abscheidung gebracht werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Zink, Calcium, Natrium, Phosphor und Schwefel, als elektrisch abscheidbares Element in dem Schmiermittel (20) enthalten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmiermittel aus bis zu 90 Vol.-% Wasser und bis zu 10 Vol.-% Öl besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Element mit bis zu 15 Gew.-% in dem Öl und mit bis zu 1 bis 2 Gew.-% in dem Schmiermittel (20) enthalten ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass wenn das Werkzeug (13) entweder aus einem Hochleistung-Werkzeugstahl oder aus Wolframcarbid und das Werkstück (14) aus Aluminium oder einem eisenhaltigen Material besteht, der Strom in einem Bereich von 25 bis 100 mA geregelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die für das Werkzeug (13) mit wenigstens einem der Elemente des Schmiermittels (20) erhaltene Beschichtung eine Schichtdicke von 50 bis 150 Nanometer aufweist.