Balance zwischen Performance und Zerspanbarkeit

Der Autor: Kai Hinz, Sales Manager Automotive Forging, Tata Steel

Komplexer werdende Getriebesysteme mit zusätzlichen Gängen auf begrenztem Bauraum erfordern Stähle, die immer höheren Belastungen standhalten. Ziel ist es, mit leistungsfähigen reinen Stählen noch stabilere Bauteile bei gleichbleibendem Gewicht und Dauerfestigkeit zu entwickeln. Für die reibungslose Fertigung der Teile müssen die Stähle gleichzeitig hervorragend bearbeitbar sein. Tata Steel hat daher mit der Universität Sheffield ein neues Testverfahren zur Beurteilung der Zerspanbarkeit von Getriebestählen entwickelt und dieses auf der Wire 2014 in Düsseldorf vorgestellt. Der Test vergleicht die chemischen Zusammensetzungen von Getriebestählen und ermittelt das optimale Gleichgewicht zwischen Leistungsfähigkeit und Zerspanbarkeit.

Für die Fertigung von Getriebebauteilen ist die gute Zerspanbarkeit des Stahls ein entscheidender Faktor. Durch sie können die Produktionsrate gesteigert und eine gute Spankontrolle, Oberflächenqualität und Dimensionsstabilität gewährleistet werden. Mithilfe der Spankontrolle wird der Abtransport des überschüssigen Materials beim Fräsen geregelt. Kleine Späne sind hier von Vorteil, da sie die Anlage weniger verschmutzen und somit kostspielige Stillstandzeiten zur Entfernung von Metallspänen reduzieren.

Um das Verhalten von Stählen mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung im Spanprozess aussagekräftig vergleichen zu können, arbeitete das Swinden Technology Center von Tata Steel mit der Universität Sheffield zusammen. Gemeinsam konnte ein maßgeschneidertes Testverfahren entwickelt werden, in dem das für die Fertigung von Getriebebauteilen typische Wälzfräsen simuliert wird. Bei diesem Prozess werden die Zähne in den geschmiedeten Getrieberohling gefräst. Der neue Test untersucht die Zerspanung des Stahls bei der Schnittunterbrechung unter vergleichbarer Geschwindigkeit wie beim Wälzfräsen. Durch die Simulation kann der Einfluss der chemischen Elemente auf die Zerspanbarkeit des Stahls ermittelt werden. Hersteller sparen damit bei der Entwicklung des passenden Stahls für ihr Getriebesystem die Kosten für teure Wälzfräs-Getriebewerkzeuge und die Bereitstellung der Wälzfräsanlagen ein.

Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eignen sich reine Stähle besonders gut für die Entwicklung von Getriebestählen. Diese macht den Werkstoff gut zerspanbar und dauerfest. Tata Steel arbeitete eng mit seinen Partnern aus der Lieferkette zusammen, um für sie das beste Gleichgewicht zwischen beiden Eigenschaften herzustellen. Die Zerspanbarkeit kann durch die kontrollierte Zugabe chemischer Elemente weiter verbessert werden. Allerdings kann dies auch negative Auswirkungen auf die Dauerfestigkeit haben. Die Zugabe von Schwefel verringert beispielsweise die Scher- und Schubspannung, die für den Spanbruch benötigt wird. Andere Substanzen wie Kalzium lassen sich zur Bildung von Schutzschichten auf den Schneidwerkzeugen einsetzen und verringern so die Werkzeugabnutzung. Die Zugabe von Bismut und Tellur verbessert die Oberflächenqualität und die Form der Späne und reduziert dadurch sowohl die benötigte Schneidkraft als auch die Werkzeugabnutzung.

„Das Reduzieren von Gewicht und Bauraum spielt bei jedem Fahrzeugteil eine wichtige Rolle. Getriebekomponenten sind besonders hohen Belastungen ausgesetzt, sodass die Entwicklung von Getriebestählen noch anspruchsvoller ist“, erklärt Andrew Woods, Business Development Manager Speciality Steels bei Tata Steel. „Durch die enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden entwickeln wir Produkte, mit denen wir unterschiedliche Anforderungen an Gewichtseinsparung, Dauer- und Zugfestigkeit sowie Zerspanbarkeit erfüllen.“ Der neue Test gebe den Anwendern ein Instrument an die Hand, mit dem sie Zeit, Kosten und Aufwand reduzieren könnten. Der Test zeige ohne aufwendige und kostspielige Versuchsreihen, wie sich unterschiedliche Materialien unter realen Bedingungen verhalten werden. Und Dr. Tom Slatter, Dozent für Maschinenbau an der Universität Sheffield, ergänzt: „In die Zusammenarbeit mit Tata Steel konnten wir unsere Expertise aus dem Bereich der Zerspantechnik einbringen und einen Test entwickeln, der einen wirklichen Mehrwert für die Industrie bietet.“ I