6   Bearbeitung von Hartmetall (1)

6.1   Einleitung

Konstruktionsteile aus Sinter-Hartmetall, wie zum Beispiel Zieh- und Form­werkzeuge oder verschleißbeanspruchte Teile, finden heute in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus Anwendung. Für die Er­füllung der Bauteilfunktion werden an die Form- und Oberflächengüte sowie an die Maßgenauigkeit hohe Anforderungen gestellt, die im Her­stellprozeß nicht zu erfüllen sind.

Während des Sintervorgangs kommt es infolge der ablaufenden Verdich­tungsvorgänge zu einer linearen Schrumpfung der Preßlinge um 18-22%. Das Ausmaß und die Gleichmäßigkeit der Schrumpfung werden dabei in erster Linie von der erreichten Preßdichte und deren Verteilung bestimmt. Weitere Einflußgrößen sind unter anderem die Zusammensetzung des Hartmetall-Ansatzes und die Sinteratmosphäre.

Da Form- und Maßabweichungen des Rohteiles vom jeweiligen Sollmaß nicht zu vermeiden sind, werden die Teile mit einem ausreichenden Auf­maß vorgefertigt und zur Erzeugung hochwertiger Funktionsflächen nach dem Sintern nachbearbeitet. Die Tabellen zeigen hierzu Durchschnittswerte für erreichbare Toleranzen von Formteilen in Ab­hängigkeit von den Abmessungen des Fertigteils.

Aufgrund der hohen Härte der Werkstoffe stehen für die Nachbearbeitung von Sinter-Hartmetall nur wenige Fertigungsverfahren zur Verfügung. Zur Bearbeitung eingesetzt werden im wesentlichen trennende Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide wie das Schleifen, Honen und Lappen, das Polieren sowie abtragende Verfahren wie die Funkenerosion und die Laserbearbeitung.

Die Bearbeitung der hochharten Werkstoffe ist dabei infolge der geringen Abtragsleistungen und des hohen Werkzeugverschleißes sehr kostenin­tensiv und entscheidet oftmals über die Wirtschaftlichkeit der Verwendung von Bauteilen aus Hartmetall.

6.2   Schleifen

Im Hinblick auf die erzielbaren Abtragsraten und die erzeugbaren Ober­flächengüten und Formen stellt das Schleifen gegenwärtig das wichtigste Fertigungsverfahren für die Bearbeitung von Hartmetall dar.

Eine Definition des Verfahrens Schleifen gibt die DIN 8589, Teil 11 (4). Das Schleifen mit rotierenden Werkzeugen ist ein spanendes Fertigungs­verfahren mit vielschneidigen Werkzeugen, deren geometrisch unbe­stimmte Schneiden von einer Vielzahl gebundener Hartstoffteilchen gebil­det werden und mit hoher Geschwindigkeit meist unter nicht ständiger Berührung zwischen Werkstück und Schleifkorn den Werkstoff abtrennen. An dieser Stelle sei angemerkt, daß das Wort „Korn" in diesem Zu­sammenhang als polykristallines Hartstoffteilchen zu verstehen ist.

6.4   Verfahren und Grundbegriffe

Die Einteilung der verschiedenen Schleifverfahren kann ebenfalls ent­sprechend DIN 8589, Teil 11 (4), nach der Art der zu erzeugenden Fläche vorgenommen werden in:

• Planschleifen
• Wälzschleifen
• Rundschleifen
• Profilschleifen
• Schraubschleifen
• Formschleifen.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Lage der Wirkfläche am Hartmetall- Werkzeug. Dieses Kriterium erlaubt die Einteilung nach Umfangs- und Seitenschleifprozessen. Weiterhin wird je nach Lage von Schnitt­und Vorschubgeschwindigkeit bei einigen Prozessen zwischen Gleich- und Gegenlaufschleifen unterschieden.

Wichtige Begriffe der Schleiftechnik sollen im folgenden am Beispiel des Umfangs-Planschleifens erläutert werden.

Die charakteristischen Größen zur Beschreibung der Schleifscheibe sind die Breite des Schleifbelages und der Schleifscheibendurchmesser. Aus dem Schleifscheibendurchmesser und der Scheibendrehzahl ergibt sich die Schnittgeschwindigkeit.

Die Werkstückbewegung wird durch die Werkstückvorschubgeschwindig­keit gekennzeichnet. Die Eingriffsbreite des Werkzeuges wird mit ap beschrieben, die Größe ae bezeichnet die Zustellung pro Überschliff.

Zur Charakterisierung des Prozesses werden folgende Größen heran­gezogen: Das Zeitspanvolumen QW gibt die Menge des pro Zeiteinheit zerspanten Werkstückvolumens an

Q_W = a_e . a_p . V_ft [mm³.s^-1]

Das gesamte während des Vorgangs zerspante Werkstückvolumen wird als Zerspanvolumen VW bezeichnet

V_W = Q_W • t [mm³].

Die auftretende Schleifkraft F wird üblicherweise in ihre Komponenten parallel und senkrecht zur Werkstückoberfläche, die Schleifnormalkraft F_n und die Schleiftangentialkraft F_t, zerlegt.

Diese Größen werden häufig zur besseren Vergleichbarkeit unterschied­licher Prozesse auf einen Millimeter Eingriffsbreite der Schleifscheibe bezogen.

Als Kriterium für die Wirtschaftlichkeit eines Schleifprozesses gilt neben dem erzielten Zeitspanvolumen das Schleifverhältnis. Das Schleif­verhältnis G ist der Quotient aus dem Zerspanvolumen und dem Verschleißvolumen des Schleifbelages V_s:

G = V_W/V_S [mm³/mm³].

6.5   Schleifwerkzeuge

Aufgrund der hohen Härte von Hartmetall wird heute für die Schleif­bearbeitung dieser Werkstoffgruppe fast ausnahmslos Diamantwerk­zeuge eingesetzt. In einzelnen Fällen kommen jedoch auch Schleif­scheiben aus Siliciumcarbid zur Anwendung. Infolge der geringeren Härte des Siliciumcarbids sind die möglichen Abtragsleistungen sehr gering, so daß diese Werkzeuge für die fertigungstechnischen Anwendungen kaum noch Bedeutung haben.

Schleifscheiben mit hochharten Schleifstoffen wie Diamant sind in der Regel aus zwei Komponenten aufgebaut, einem Grundkörper und einem dünnen Schleifbelag, der auf den Grundkörper aufgebracht ist. Der

Grundkörper bestimmt durch seinen Aufbau die statische und dyna­mische Steifigkeit sowie das Dämpfungsverhalten des Werkzeugs. Metallische Grundkörper aus Stahl oder Aluminium besitzen sehr gute Steifigkeiten und eine gute Wärmeleitung, die Schwingungsdämpfung ist jedoch gering. Aluminium-Kunstharz-Werkstoffe bieten demgegenüber gute Dampfungseigenschaften und eine ausreichende Steifigkeit, so daß Grundkörper aus diesem Material für viele Einsatzfälle zur Anwendung kommen. Das Bild zeigt Diamantwerkzeuge für unterschiedliche Anwen­dungsfälle beim Hartmetall schleifen.

Der Schleifbelag wird durch die Größen Schleifstoff, Kornart, Korngröße und Kornkonzentration, Bindungsart sowie -härte beschrieben. Das Bild zeigt schematisch den Aufbau und die Kennzeichnung einer Diamant­schleifscheib. Gegenwärtig existiert für den Bereich der hochharten Schleifstoffe noch keine Normung, so daß es im Einzelfall zu Abwei­chungen vom dargestellten Beispiel kommen kann.

Die Diamantkornart im Schleifbelag hat einen starken Einfluß auf das Arbeitsergebnis. Als bevorzugte Kornart haben sich synthetische Dia­manten gegenüber Naturdiamanten für die Bearbeitung von Hartmetall weitgehend durchgesetzt. Durch die Wahl unterschiedlicher Herstell­parameter ist es möglich, die Eigenschaften synthetischer Diamanten an bestimmte Schleifaufgaben gezielt anzupassen. Die Rohdiamanten erhalten in der Regel zusätzlich einen Metallüberzug aus Nickel oder Kupfer zur Verbesserung der Haftung im Bindungswerkstoff.