Bearbeitung von duktilen und kugelgraphitischen Gusseisen

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

Duktiles Gusseisen (auch bekannt als kugelgraphitisches Gusseisen, kurz GJS) ist eine eisenhaltige Legierung, bei der Kohlenstoff in Form von kugelförmigen Graphitpartikeln vorliegt – im Gegensatz zu grauem Gusseisen, bei dem Kohlenstoff in flachen, lamellaren Schichten angeordnet ist. Diese mikrostrukturelle Unterschiede bestimmen alle Eigenschaften, die für die Bearbeitung von Bedeutung sind:

• Härte und Zähigkeit: GJS hat eine Härte von 150 bis 350 HB (Brinellhärte, ein Maß für die Widerstandsfähigkeit eines Materials gegen Eindrücken) und eine Zugfestigkeit von 400 bis 1200 MPa. Im Vergleich zu grauem Gusseisen ist es 20 bis 50 % zäher, also widerstandsfähiger gegen Bruch und plastische Verformung.
• Dehnung: Bei Zugbelastung dehnt sich GJS um bis zu 20 % aus, während graues Gusseisen fast keine plastische Verformung zeigt.
• Wärmeleitfähigkeit: GJS leitet Wärme etwa 10 bis 15 % schlechter als graues Gusseisen.

Aufgrund seiner Kombination aus Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit wird GJS vor allem für tragende Strukturteile im Automobilbau verwendet: Motorblöcke, Getriebegehäuse, Achsträger, Bremszangen und Aufhängungskomponenten.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Die mikrostrukturellen Eigenschaften von GJS führen zu einem deutlich anderen Verhalten bei der Bearbeitung als graues Gusseisen. Die wichtigsten Mechanismen sind:

Schnittkräfte

Aufgrund der höheren Zähigkeit und Härte von GJS erfordert die Trennung des Materials 30 bis 40 % höhere Schnittkräfte als bei grauem Gusseisen gleicher Härte. Die Kräfte sind zudem unregelmäßiger: Die kugelförmigen Graphitpartikel brechen nicht so leicht wie die lamellaren Schichten von grauem Gusseisen, sodass das Werkzeug ständig mit wechselnden Widerständen konfrontiert ist.

Wärmeentwicklung

Da GJS Wärme schlechter leitet, bleibt mehr Wärme im Schnittbereich zwischen Werkzeug und Werkstück. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten kann die Temperatur an der Schneidkante auf über 1000 °C ansteigen. Diese Wärme wird nur teilweise durch Späne abgeführt, sodass das Werkzeug stärker thermisch belastet wird.

Spanbildung

Bei grauem Gusseisen brechen Späne aufgrund der lamellaren Graphitstruktur leicht in kleine, kontrollierte Stücke. Bei GJS hingegen neigen Späne dazu, lang und bandförmig zu werden, weil die kugelförmigen Graphitpartikel die Materialtrennung nicht so effektiv unterstützen. Ohne geeignete Maßnahmen können diese Späne das Werkstück beschädigen, das Werkzeug verstopfen oder sogar Verletzungen verursachen.

Werkzeugverschleiß

Der Verschleiß von Schneidwerkzeugen bei der Bearbeitung von GJS folgt drei Hauptmechanismen:

1. Abriebverschleiß: Die harten Bestandteile der GJS-Matrix (z. B. Ferrit oder Perlit) reiben die Schneidkante ab.
2. Diffusionsverschleiß: Bei hohen Temperaturen diffundieren Atome aus dem Werkzeugmaterial in das Werkstück und umgekehrt, was die Schneidkante schwächt.
3. Thermische Ermüdung: Zyklische Erwärmung und Abkühlung des Werkzeugs führen zu Rissen an der Schneidkante.

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

Die Parameter für die Bearbeitung von GJS hängen von der Härte des Materials, der gewünschten Oberflächenqualität und der Maschinenleistung ab. Unten finden Sie Bereiche und die damit verbundenen Kompromisse:

Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit (v_c, Geschwindigkeit der Schneidkante relativ zum Werkstück) wird hauptsächlich durch die Werkzeugmaterialeigenschaften und die Maschinenleistung bestimmt:

• Hartmetallwerkzeuge (unbeschichtet): 60 bis 120 m/min. Niedrigere Geschwindigkeiten reduzieren den Verschleiß, führen aber zu längeren Bearbeitungszeiten.
• Beschichtete Hartmetallwerkzeuge (TiCN, TiAlN): 120 bis 200 m/min. Beschichtungen schützen das Werkzeug vor Diffusionsverschleiß und Abrieb, sodass höhere Geschwindigkeiten möglich sind.
• CBN-Werkzeuge (kubisches Bornitrid): 200 bis 300 m/min. CBN ist extrem hart und hitzebeständig, eignet sich aber nur für GJS mit einer Härte über 250 HB.

Kompromiss: Höhere Schnittgeschwindigkeiten erhöhen die Produktivität, aber auch die Wärmeentwicklung und den Werkzeugverschleiß. Für Automobilteile mit hohen Genauigkeitsanforderungen wird oft ein Mittelwert gewählt, um sowohl Produktivität als auch Werkzeugstandzeit zu optimieren.

Vorschub

Der Vorschub (f, Vorschub pro Umdrehung oder pro Zahn) bestimmt die Spanstärke und die Schnittkräfte:

• Raubearbeitung: 0,15 bis 0,3 mm pro Zahn. Höhere Vorschübe reduzieren die Anzahl der Bearbeitungsgänge, erhöhen aber die Schnittkräfte und das Risiko von unkontrollierten Spänen.
• Schlichtbearbeitung: 0,05 bis 0,15 mm pro Zahn. Niedrigere Vorschübe verbessern die Oberflächenqualität, führen aber zu längeren Bearbeitungszeiten.

Kompromiss: Für die Raubearbeitung von großen Automobilkomponenten (z. B. Motorblöcke) wird oft ein Vorschub von 0,2 mm pro Zahn gewählt, um Produktivität und Spanbildung auszugleichen.

Werkzeuggeometrie

Die Geometrie des Werkzeugs ist entscheidend für die Spanbildung und die Schnittkräfte:

• Spanwinkel: 5 bis 15 Grad. Ein positiver Spanwinkel reduziert die Schnittkräfte, aber ein zu positiver Winkel schwächt die Schneidkante. Für GJS wird oft ein Spanwinkel von 10 Grad gewählt.
• Spanbrecher: Ein integrierter Spanbrecher bricht lange Späne in kleine, kontrollierte Stücke. Die Form des Spanbrechers muss an die Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden: Für höhere Vorschübe werden breitere Spanbrecher verwendet.
• Schneidkantenradius: 0,02 bis 0,1 mm. Ein größerer Radius stärkt die Schneidkante, erhöht aber die Schnittkräfte. Für harte GJS wird ein größerer Radius gewählt.

Maschinenanforderungen und passende Gree CNC-Modelle

Die Bearbeitung von GJS erfordert Maschinen mit ausreichender Steifigkeit und Drehmoment, um die hohen Schnittkräfte zu bewältigen. Passende Modelle aus dem Gree CNC-Portfolio:

• Für kleine bis mittlere Automobilteile (z. B. Bremszangen): GA-MV856 (vertikales Bearbeitungszentrum mit BT40-Spindel, 95,5 Nm Drehmoment bei 15 kW Leistung) oder GA-VT540 (Bohr- und Gewindeschneidzentrum mit BBT30-Spindel, 17,5 Nm Drehmoment bei 5,5 kW Leistung).
• Für große tragende Strukturteile (z. B. Achsträger): GA-MVD2560 (doppelspindeliges vertikales Bearbeitungszentrum mit 120 Nm Drehmoment pro Spindel bei 19 kW Leistung) oder GA-UV1050 (fünfachsiges vertikales Bearbeitungszentrum mit BT50-Spindel, 302 Nm Drehmoment bei 30 kW Leistung).
• Für hochpräzise Bearbeitung: GA-UHD500 (hochpräzises fünfachsiges Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und einer Wiederholgenauigkeit von 0,004 mm).

Was schiefgeht: Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Bei der Bearbeitung von GJS treten typischerweise drei Fehlerarten auf:

1. Unkontrollierte Späne

• Erkennung: Lange, bandförmige Späne, die sich um das Werkzeug oder das Werkstück wickeln.
• Ursachen: Zu niedrige Schnittgeschwindigkeit, zu niedriger Vorschub, falsche Werkzeuggeometrie (insbesondere fehlender oder falsch dimensionierter Spanbrecher).
• Behebung: Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit um 20 bis 30 %, erhöhen Sie den Vorschub um 10 bis 15 % oder wechseln Sie das Werkzeug gegen eines mit einem passenden Spanbrecher.

2. Schneller Werkzeugverschleiß

• Erkennung: Abgenutzte Schneidkanten, erhöhte Oberflächenrauheit des Werkstücks, unregelmäßige Bearbeitungszeiten.
• Ursachen: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, zu hoher Vorschub, falsches Werkzeugmaterial, unzureichende Kühlung.
• Behebung: Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit um 15 bis 25 %, wechseln Sie zu einem beschichteten Hartmetall- oder CBN-Werkzeug oder erhöhen Sie die Kühlmittelmenge und -druck.

3. Maßabweichungen

• Erkennung: Werkstücke, die außerhalb der Toleranz liegen, insbesondere bei großen oder komplexen Teilen.
• Ursachen: Unzureichende Maschinensteifigkeit, zu hohe Schnittkräfte, thermische Ausdehnung des Werkstücks oder der Maschine.
• Behebung: Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub, um die Schnittkräfte zu senken, verwenden Sie eine Kühlung zur Reduzierung der thermischen Ausdehnung oder wählen Sie eine steifere Maschine (z. B. GA-UV1050 statt GA-DV750 für große Teile).

Ehrliche Einschränkungen: Wo dieses Material oder dieser Prozess eine schlechte Wahl ist

Trotz seiner Vorteile ist GJS nicht für alle Anwendungen geeignet, und die Bearbeitung hat klare Grenzen:

1. Kleine, dünnwandige Teile: Die hohen Schnittkräfte bei der Bearbeitung von GJS können dünnwandige Teile verformen, insbesondere wenn die Maschine nicht ausreichend steif ist. Für solche Anwendungen ist oft Aluminium oder Kunststoff eine bessere Wahl.
2. Hochpräzise Teile mit extrem engen Toleranzen: Obwohl GJS gut bearbeitbar ist, führt die thermische Ausdehnung und die unregelmäßigen Schnittkräfte dazu, dass Toleranzen unter 0,005 mm nur mit sehr hohem Aufwand erreicht werden können. Für solche Anwendungen wird oft Stahl verwendet.
3. Große Serien mit extrem niedrigen Kosten: Die Bearbeitung von GJS erfordert spezielle Werkzeuge und Maschinen, die teurer sind als die für graues Gusseisen. Für große Serien von nicht tragenden Teilen ist graues Gusseisen oft kostengünstiger.
4. Teile, die bei hohen Temperaturen betrieben werden: GJS verliert ab 400 °C an Festigkeit. Für Anwendungen mit Betriebstemperaturen über 500 °C ist hitzebeständiger Stahl eine bessere Wahl.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Arbeitsgangs

1. Materialprüfung: Messen Sie die Härte des GJS, um die passenden Werkzeuge und Parameter auszuwählen.
2. Maschinenauswahl: Wählen Sie eine Maschine mit ausreichender Steifigkeit und Drehmoment:
   • Kleine Teile: GA-MV856 oder GA-VT540
   • Große Teile: GA-MVD2560 oder GA-UV1050
   • Hochpräzise Teile: GA-UHD500
3. Werkzeugauswahl: Wählen Sie ein Werkzeug mit passender Geometrie:
   • Spanwinkel von 10 Grad
   • Spanbrecher angepasst an den Vorschub
   • Beschichtetes Hartmetall für GJS <250 HB, CBN für GJS >250 HB
4. Parameterfestlegung:
   • Raubearbeitung: v_c = 150 m/min, f = 0,2 mm/Zahn
   • Schlichtbearbeitung: v_c = 180 m/min, f = 0,1 mm/Zahn
5. Kühlung: Stellen Sie eine Kühlmittelmenge von mindestens 10 l/min und einen Druck von mindestens 5 bar ein, um Wärme abzuführen.
6. Erster Testlauf: Führen Sie einen Testlauf mit reduzierten Parametern durch, um die Spanbildung und den Werkzeugverschleiß zu überprüfen, bevor Sie die volle Produktion starten.

FAQ

1. Kann ich GJS mit der gleichen Maschine bearbeiten wie graues Gusseisen? Ja, aber Sie müssen die Parameter anpassen: Reduzieren Sie die Schnittgeschwindigkeit um 30 bis 40 % und den Vorschub um 10 bis 15 %, um die höheren Schnittkräfte zu bewältigen. Für große Teile empfehlen sich steifere Maschinen wie die GA-MVD2560 oder GA-UV1050.

2. Welche Werkzeugmaterialien eignen sich am besten für die Bearbeitung von GJS? Beschichtetes Hartmetall (TiCN oder TiAlN) ist die beste Wahl für die meisten Anwendungen, da es ein gutes Verhältnis von Kosten und Leistung bietet. Für harte GJS (>250 HB) oder große Serien eignet sich CBN, da es eine höhere Standzeit hat.

3. Wie kann ich die Spanbildung bei der Bearbeitung von GJS verbessern? Die effektivste Methode ist die Verwendung eines Werkzeugs mit einem passenden Spanbrecher. Zusätzlich können Sie die Schnittgeschwindigkeit um 20 bis 30 % erhöhen oder den Vorschub um 10 bis 15 % anpassen, um Späne zu brechen.

4. Welche Gree CNC-Maschine eignet sich für die Bearbeitung von Motorblöcken aus GJS? Für große Motorblöcke empfehlen sich die GA-MVD2560 (doppelspindeliges vertikales Bearbeitungszentrum mit hohem Drehmoment) oder die GA-UV1050 (fünfachsiges vertikales Bearbeitungszentrum mit BT50-Spindel und 302 Nm Drehmoment).

5. Kann ich GJS mit einem Bohr- und Gewindeschneidzentrum bearbeiten? Ja, aber nur für kleine bis mittlere Teile mit geringer Komplexität. Modelle wie die GA-VT540 oder GA-VT540P eignen sich für die Bearbeitung von kleinen Automobilteilen wie Bremszangen oder Getriebedeckeln. Für große oder komplexe Teile empfehlen sich vertikale oder fünfachsige Bearbeitungszentren.

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