Bearbeitung von unlegiertem Baustahl mittlerer Kohlenstoffgehalte (45 / 1045)

Was dieses Material ist: Eigenschaften, die für die Bearbeitung relevant sind

Unlegierter Baustahl mittlerer Kohlenstoffgehalte, genauer gesagt S45C (JIS-Norm) bzw. 1045 (ASTM-Norm), ist ein weit verbreiteter Werkstoff für Wellen, Achsen, Zahnräder und andere Maschinenteile. Für die Bearbeitung sind drei Eigenschaften besonders wichtig:

1. Ausgewogene Bearbeitbarkeit: Im Vergleich zu niedrigkohlenstoffhaltigen Stählen (z. B. 1010) ist er nicht so weich und klebrig, sodass Werkzeuge weniger schnell verstopfen. Im Vergleich zu hochkohlenstoffhaltigen Stählen (z. B. 1060) ist er nicht so hart und spröde, sodass Werkzeuge weniger schnell brechen. Diese Ausgewogenheit macht ihn zu einem Referenzwerkstoff für die Einstellung von Bearbeitungsparametern.
2. Gute Oberflächenqualität im Lieferzustand: Im geglühten oder normalisierten Zustand (Härte ca. 170–210 HB) lässt sich der Werkstoff mit geeigneten Parametern zu einer glatten Oberfläche (Ra ≤ 1,6 µm oder besser) bearbeiten, ohne dass zusätzliche Nachbearbeitung wie Schleifen erforderlich ist.
3. Geeignet für Wärmebehandlung: Nach der Bearbeitung kann er gehärtet und angelassen werden, um eine Härte von bis zu 60 HRC zu erreichen. Dies macht ihn zu einem idealen Material für tragende Bauteile wie Wellen, die nach der Bearbeitung noch eine Festigkeitssteigerung erfahren sollen.

Wie er sich unter dem Werkzeug verhält

Um Bearbeitungsparameter richtig einzustellen, müssen Sie verstehen, wie S45C/1045 auf die Einwirkung des Schneidwerkzeugs reagiert:

• Schnittkräfte: Die Schnittkräfte liegen im mittleren Bereich: Bei einer Schnitttiefe von 1 mm und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,1 mm/U beträgt die Hauptschnittkraft ca. 1.200–1.500 N. Das bedeutet, dass sowohl kleine, leistungsschwache Maschinen als auch große, leistungsstarke Maschinen den Werkstoff bearbeiten können – solange die Parameter an die Maschinenleistung angepasst werden.
• Wärmeentwicklung: Bei der Bearbeitung entsteht Wärme, die zu 60–70 % in den Span, 20–25 % in das Werkstück und nur 5–10 % in das Werkzeug fließt. Dies ist ein Vorteil, da die Werkzeugverschleißrate dadurch geringer ist als bei Werkstoffen, bei denen mehr Wärme in das Werkzeug eindringt.
• Spanbildung: Bei optimalen Parametern entstehen kurze, gebrochene Späne, die leicht abgeführt werden können. Bei zu niedrigen Schnittgeschwindigkeiten oder zu hohem Vorschub entstehen lange, verwickelte Späne, die das Werkstück beschädigen oder das Werkzeug verstopfen können.
• Werkzeugverschleißmechanismen: Der Hauptverschleiß bei der Bearbeitung von S45C/1045 ist der Abriebverschleiß an der Schneidkante und der Freifläche. Bei zu hohen Schnittgeschwindigkeiten tritt zusätzlich Diffusionsverschleiß auf, bei dem Material aus dem Werkzeug in den Span übergeht.

Praktische Parameter: Geschwindigkeiten, Vorschübe, Werkzeuggeometrie und die Begründung der Bereiche

Die Parameter hängen von der Bearbeitungsart (Fräsen, Drehen, Bohren), dem Werkzeugmaterial und der Maschinenleistung ab. Im Folgenden finden Sie Bereiche und die dazugehörigen Abwägungen:

Grundregel für alle Bearbeitungsarten

Die Schnittgeschwindigkeit (Vc, in m/min) ist der wichtigste Parameter für die Bearbeitungsqualität und die Werkzeugstandzeit. Sie ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneidkante des Werkzeugs relativ zum Werkstück bewegt wird.

Fräsen

Drehen

Bohren

Maschinenabhängige Anpassungen

Die Parameter müssen an die Leistung der Maschine angepasst werden:

• Kleine Maschinen wie das GA-VT540 (Bohrzentrum, Spindelleistung 3,7/5,5 kW, Spindeldrehmoment 11,8/17,5 Nm) eignen sich für leichte Bearbeitungen mit niedrigen Vorschüben.
• Große Maschinen wie das GA-MVD2560 (vertikales Bearbeitungszentrum mit zwei Spindeln, Spindelleistung 9/19 kW, Spindeldrehmoment 57/120 Nm) können hohe Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten verarbeiten.

Was schiefgeht: Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Auch bei guter Planung können Probleme auftauchen. Im Folgenden finden Sie die häufigsten Fehler und deren Lösungen:

Ehrliche Einschränkungen: Wo dieser Werkstoff oder dieser Prozess eine schlechte Wahl ist

S45C/1045 ist ein vielseitiger Werkstoff, aber er hat auch Grenzen:

1. Korrosionsbeständigkeit: Der Werkstoff ist nicht korrosionsbeständig. Wenn das Bauteil in einer feuchten Umgebung oder mit aggressiven Medien in Kontakt kommt, muss es beschichtet werden. Dies ist ein zusätzlicher Arbeitsschritt, der die Kosten erhöht.
2. Härte im Lieferzustand: Im geglühten Zustand ist der Werkstoff nicht sehr hart. Wenn das Bauteil einer hohen Verschleißbelastung ausgesetzt ist, muss es gehärtet werden. Die Härtung kann zu Verformungen führen, die eine zusätzliche Nachbearbeitung erfordern.
3. Bearbeitung von gehärtetem S45C/1045: Wenn der Werkstoff bereits gehärtet ist (Härte > 40 HRC), ist die Bearbeitung mit Standardwerkzeugen nicht mehr möglich. Sie müssen spezielle Werkzeuge wie CBN (kubisches Bornitrid) oder keramische Werkzeuge verwenden, die teurer sind.
4. Komplexe Geometrien mit hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit: Bei sehr komplexen Geometrien oder sehr hohen Anforderungen an die Maßgenauigkeit (Toleranz < 0,005 mm) kann S45C/1045 aufgrund seiner Verformungsneigung bei der Bearbeitung oder Wärmebehandlung eine schlechte Wahl sein. In solchen Fällen werden oft Werkstoffe wie vergütete Stähle oder hochfeste Aluminiumlegierungen verwendet.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Jobs

Bevor Sie mit der Bearbeitung beginnen, überprüfen Sie die folgenden Punkte:

1. Werkstückmaterial: Bestätigen Sie, dass das Werkstück tatsächlich S45C/1045 ist und seine Härte im Bereich von 170–210 HB liegt.
2. Maschinenleistung: Überprüfen Sie, ob die Maschine die erforderliche Leistung und das erforderliche Drehmoment für die gewählten Parameter hat. Für hohe Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten eignet sich beispielsweise das GA-MV856 (vertikales Bearbeitungszentrum, Spindeldrehmoment 35,8/95,5 Nm).
3. Werkzeugauswahl: Wählen Sie Werkzeuge mit der richtigen Geometrie und Beschichtung. Für das Schlichten verwenden Sie Werkzeuge mit positiven Winkeln, für das Schruppen Werkzeuge mit leicht negativen Winkeln.
4. Aufspannung: Stellen Sie sicher, dass das Werkstück stabil aufgespannt ist, um Schwingungen zu vermeiden.
5. Kühlmittel: Verwenden Sie ein geeignetes Kühlmittel und stellen Sie sicher, dass es in ausreichender Menge auf die Schneidkante aufgetragen wird.
6. Erster Testlauf: Führen Sie einen Testlauf mit reduzierten Parametern durch, um die Bearbeitungsqualität zu überprüfen, bevor Sie mit der Serienproduktion beginnen.

FAQ

1. Kann ich S45C/1045 mit einem kleinen Bohrzentrum wie dem GA-VT540 bearbeiten? Ja, aber Sie müssen die Parameter an die Leistung der Maschine anpassen. Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub, um die Belastung der Spindel zu verringern. Das GA-VT540 eignet sich besonders für kleine bis mittlere Bauteile wie Wellen mit einem Durchmesser von bis zu 50 mm.

2. Wie erreiche ich eine Oberflächenqualität von Ra ≤ 1,6 µm bei der Bearbeitung von S45C/1045? Verwenden Sie beschichtete Hartmetallwerkzeuge mit positiven Spanwinkeln, eine Schnittgeschwindigkeit von 180–220 m/min und einen Vorschub von 0,1–0,15 mm/Zahn (beim Fräsen) oder 0,1–0,12 mm/U (beim Drehen). Achten Sie außerdem auf eine ausreichende Kühlung und eine stabile Aufspannung des Werkstücks.

3. Was ist der Unterschied zwischen der Bearbeitung von S45C/1045 und 1060? S45C/1045 hat einen Kohlenstoffgehalt von ca. 0,45 %, 1060 von ca. 0,60 %. 1060 ist härter und spröder, sodass die Schnittgeschwindigkeit um 30–40 % niedriger gewählt werden muss. Die Werkzeugverschleißrate ist bei 1060 höher, und das Risiko für Rattermarken ist größer.

4. Kann ich gehärtetes S45C/1045 mit einer Standardmaschine bearbeiten? Wenn der Werkstoff eine Härte von mehr als 40 HRC hat, benötigen Sie spezielle Werkzeuge wie CBN oder keramische Werkzeuge. Standardmaschinen wie das GA-MV856 können gehärtetes S45C/1045 bearbeiten, aber Sie müssen die Parameter stark reduzieren und die Werkzeugkosten berücksichtigen.

5. Warum entstehen bei der Bearbeitung von S45C/1045 manchmal Rattermarken? Rattermarken entstehen durch Schwingungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Die häufigsten Gründe sind eine zu hohe Schnitttiefe oder Vorschub, eine unzureichende Stabilität der Aufspannung, zu lange Werkzeuge oder eine Schnittgeschwindigkeit, die der Resonanzfrequenz der Maschine entspricht.

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