Widersprüchige Eigenschaften von Metall

[kar]

Irgendwie bekomme ich ein Phänomen von Metall/Metallverarbeitung nicht unter einen Hut:

Einerseits: Man kann mit etwas härteren Metallen etwas weichere Metalle fräsen, sägen, drehen, schleifen, bohren, wobei die Fräser nicht schon nach zwei drei Spänen stumpf werden, sondern sehr lange halten können. Habe im Internet sogar ein Video gefunden, indem ein Fräser eine Nut in einen anderen Fräser hineinfräst!

Andererseits werden selbst sehr harte Metallfräser beim Fräsen von Holz, dass ja wesentlich extrem viele größenordnungen weicher ist, mit der Zeit stumpf. Und bei Zahnrädern wählt man gerne Metall-Kunststoff-Paarungen, wobei seltsamerweise nicht der weiche Kunststoff verschleißt, sondern das Metallzahnrad. Irgendwie geht mir das einfach nicht in den Kopf.


Wenn mir irgendjemand das halbwegs erklären könnte, wäre ich extrem dankbar.

VG
kar

 

[Raubsau]

Zur Metallbearbeitung: Die Teile werden genauso stumpf, schneller als Werkzeuge für die Holzbearbeitung. Auch Bohrer, Fräser usw. müssen immer wieder geschliffen werden.

Zum Thema Fräser gegen Fräser: Da hat dann aber ein (V)HM-Fräser gegen einen nicht allzu harten HSS gekämpft, zumindest wenns so is wie ichs mir vorstell. Das geht irrsinnig auf die Maschine und auf das Werkzeug los, wird wirklich meist nur zu Demonstrationszwecken gemacht.

Das ganze nennt sich dann HSC-Bearbeitung (high speed cutting), wird normalerweise nur bei geringer Zustellung als Ersatz fürs Schleifen gemacht.

Zu den Zahnrädern: Das liegt dran, dass viele Kunststoffe (die auch für Gleitlager verarbeitet werden) Späne einbetten können und auch selbstschmierend sind, dadurch ist der Verschleiß beim Kunststoff geringer.

Noch fragen?

 

[kar]

Danke Raubsau für deine Hilfe.

Zur Metallbearbeitung: Die Teile werden genauso stumpf, schneller als Werkzeuge für die Holzbearbeitung. Auch Bohrer, Fräser usw. müssen immer wieder geschliffen werden.

Natürlich werden die Fräser in der Metallverarbeitung stumpf, aber nicht so schnell, wie ich intuitiv erwarten würde. Oder umgekehrt: Holz ist so viel weicher, dass Fräser, Bohrer und Sägen bei Holz intuitiv gesehen eigentlich nie stumpf werden sollten. Das ist aber nicht so.

Zum Thema Fräser gegen Fräser: Da hat dann aber ein (V)HM-Fräser gegen einen nicht allzu harten HSS gekämpft, zumindest wenns so is wie ichs mir vorstell. Das geht irrsinnig auf die Maschine und auf das Werkzeug los, wird wirklich meist nur zu Demonstrationszwecken gemacht. Das ganze nennt sich dann HSC-Bearbeitung (high speed cutting), wird normalerweise nur bei geringer Zustellung als Ersatz fürs Schleifen gemacht.

Habe das Video gerade noch mal gesucht. Nach High-Speed sieht das nicht aus. Weder besonders schnell, noch sprühen die Funken, wie man das bei anderen High-Speed-Cutting-Videos sieht:

Zu den Zahnrädern: Das liegt dran, dass viele Kunststoffe (die auch für Gleitlager verarbeitet werden) Späne einbetten können und auch selbstschmierend sind, dadurch ist der Verschleiß beim Kunststoff geringer.

Ja, wenn die Kunststoff-Zahnräder sich gegenüber den Metallzahnrädern schmieren, dann sind die Metallzahnräder doch auch automatisch gegenüber den Kunststoffzahnrädern abgeschmiert.

 

[Raubsau]

Wenn du wirklich kranke Videos sehen willst:
Emuge Franken fragen!
Sieh dir einfach mal das an:

Vorschub=60m/min

Ich weiß nicht ob da noch die guten alten drin sind, hab aber mal eins gefunden bei dem man regelrecht zusehen konnte wie sich das Futter dank vom Fräser kommender Wärme blau färbt... fz=1,25mm (nein, hab mich nicht verschrieben)
Die Typen haben einen Schaden. Wenn ich sowas an ner Maschine tun würd wär meine Matrikelnummer wohl in wenigen Sekunden danach gelöscht... Ein Wunder, dass da die Steuerung noch nachkommt.

Zum Thema:
Holzbohrer bestehen meist aus einem anderen Material als Werkzeuge für Metall. Gut, es wird auch mit HM gearbeitet, aber im normalen Bereich meist mit Werkzeugstahl, welcher schonmal nicht die Härte von HSS aufweist. Weiters ist die Schneidengeometrie eine ganz andere, Holz ist ja kein homogener Werkstoff.

Zu den Zahnrädern:
Richtig, die Metallzahnräder werden auch "geschmiert", allerdings können die keine Späne einbetten. Bei Akkuschraubern werden oft schon Kunststoffzahnräder verwendet, da diese weniger Verschleiß aufweisen als billige Metallzahnräder. Und fällt nun doch ein Span runter "verschweißt" dieser wieder mit der Oberfläche, welche sich durch die Form der Metallräder wieder selbst kalibrieren kann. Dadurch werden die Metallzahnräder aber stärker mitgenommen.

Das Thema an sich ist aber doch etwas seltsam, es kommt eben nicht immer so wie mans erwartet

 

[hs]

Hi,

Oder umgekehrt: Holz ist so viel weicher, dass Fräser, Bohrer und Sägen bei Holz intuitiv gesehen eigentlich nie stumpf werden sollten. Das ist aber nicht so.

das hängt u.a. mit den Geschwindigkeiten zusammen : wenn Du Stahl bearbeitest ist dieser zwar härter, aber Du bearbeitest ihn auch langsamer. D.h. die Schneide wird bei Metallbearbeitung zwar pro Eingriff höher belastet, aber pro Zeiteinheit weniger oft.

----

Bei Deinem Kunststoff-Metall-Beispiel kann es verschiedene Erklärungen geben.
So 'graben' sich Wellendichtringe mit der Zeit auch in eine noch so harte Welle, die sie abdichten. Hängt mit der Verunreinigung im Schmierstoff und der Dichtkante zusammen.
Anderes Beispiel : wenn Du auf sehr weiches Material (Gummi, Unterbodenschutz) mit einer Sandstrahlpistole strahlst, so arbeitet dieses sich schlecht ab - weil es weich ist und die Energie absorbiert. Hartes Material ist nicht in der Lage und es entstehen Ausbrüche.
Man kann da aber schlecht etwas verallgemeinern, kommt immer auf den Einzelfall an.

Gruß, hs

 

[boomer]

Das Metallwerkzeuge in Holz schnell stumpf werden soll am Schnittwinkel liegen. So wurde es uns zu mindestens während der Ausbildung erzählt. Begründen kann ich das allerdings nicht.

MfG, Henning

 

[ric]

@kar

Andererseits werden selbst sehr harte Metallfräser beim Fräsen von Holz, dass ja wesentlich extrem viele größenordnungen weicher ist, mit der Zeit stumpf.

Normalerweise wird es so sein, daß der Fräser oder Bohrer nach einer gewissen Zeit für das Holz zu stumpf ist, aber in Metall wohl noch so arbeitet, als sei er neu. Für Holz brauchst du einfach eine viel schärfere Schneide (vergleiche ein Drechselmesser mit einem Drehstahl).

Dann ist es aber gar nicht so sicher, daß Holz immer so viel weicher ist als Metall. Manche Hölzer sind sehr abrasiv und enthalten mitunter auch mineralische Einschlüsse, die härter sind als Metall!

 

[Raubsau]

Ein kleiner Nachtrag:

In Metall kann man viel mehr mit Schnittkräften tun, wenn der Meißel/Fräser oder was auch immer stumpfer wird kann man ihn ja einfach ins Material drücken und er trägt trotzdem noch was ab. Bei Holz beginnts dann sofort zu rauchen und zu stinken.

In Holz braucht man einfach eine höhere Schärfe da hier richtig geschnitten wird, während in Metall streng genommen (auch wenn mans nicht zu laut sagen sollte) nur präzise herausgerupft wird.

 

[RobMX246]

Das mit den Zahnraedern hab ich so noch nicht gehört.

Kann mir nicht vorstellen dass ein vernünftig gehärtetes/vergütetes Zahnrad schneller verschleißen soll als ein
Kunststoffzahnrad.
Kannst du eine Quelle benennen wo man das nachlesen kann.

Wie schon erwähnt gibt es zahlreiche Beispiele:

Aluminium Gußlegierungen mit Silizium anteilen.

Alu gilt ja gemein hin als weicher Werkstoff und relativ gut spanbar.
Da in den genannten Legierungen der Siliziumanteil ziemlich abbrasiv auf die Schneiden wirkt, wird zur Bearbeitung gern auf PKD (Poly Kristalliner Diamant also ziemlich hart)zurückgegriffen.

Wie das halt so ist statisch betrachtet ist AlSi relativ weich und nicht sehr fest.
Wenn dann Bewegung in Form einer Schnittbewegung in die Sache kommt kann sowas schnell kompliziert werden.
Da sich während der Bewegung ständig etwas ändert.
So nehmen bespielsweise die Schnittkräfte beim HSC bei steigender Schnittgeschwindigkeit ab weil das zu zerspanende Werkstoffmaterial durch die hohen Temperaturen in der Schnittzone seine Festigkeit verliert.

Andersherum werden die Schnittkräfte bei geringen Schnittgeschwindigkeiten (ca.30m/min bei Stahl) maximal durch die Bildung von Aufbauschneiden.

Mit den Temperaturen ist ähnlich bei geringen Schnitgeschwindigkeiten geht noch viel Wärme in die Schneide.

Wenn dann die Geschwindigkeit steigt wird immer mehr Wärme mit dem Span abgeführt.

 

[Raubsau]

@Rob
Ein gehärtetes Zahnrad wird auch nur selten mit Kunststoff gepaart. Meist sind das dann ungehärtete Räder, wenn nicht überhaupt nur gestanzt, also ziemlich billige Teile. Wird sowas mit einem teuren Kunststoff gepaart tun sich oben beschriebene Eigenschaften auf, im allgemeinen ists umgekehrt. Hochwertige Kunststoffe mit Billigzahnrädern zu verwenden ist wie einen Rembrandt mit Stahlwolle abzustauben. Es tun zwar die wenigsten aber manchmal lässt es sich eben nicht vermeiden.

 

[kar]

Für Holz brauchst du einfach eine viel schärfere Schneide (vergleiche ein Drechselmesser mit einem Drehstahl).

Das wusste ich nicht. Ich dachte, bei Metall müssten die Schneiden auch immer scharf sein. Habe das daher abgeleitet, dass auch Metallbohrer nachgeschliffen werden können/müssen.

Dann ist es aber gar nicht so sicher, daß Holz immer so viel weicher ist als Metall. Manche Hölzer sind sehr abrasiv und enthalten mitunter auch mineralische Einschlüsse, die härter sind als Metall!

Das klingt plausibel. Molz enthält ja nicht nur Zellulose sondern auch Salze, bei denen ich mir vorstellen kann, dass sie wie feinste Schleifkörnchen wirken könnten. Der Effekt wäre dann der gleiche, wie bei Fächerscheiben, die ja auch im Ganzen gesehen sehr weich sind und deren Schleifeigenschaften nur von den Schleifkörchen her kommen. (mit dem Unterschied, dass die Schleifkörner bei den Schleifscheiben deutlich sichtbar sind)

Das Metallwerkzeuge in Holz schnell stumpf werden soll am Schnittwinkel liegen.

Wenn das so ist (wäre) dann könnte man Fräser für Metall in Holz verwenden und durch die metalltypischen Schnittwinkel hätte man dann in Holz nochmal eine extrem verlängerte Lebensdauer. Müsste man mal probieren.

 

[kar]

Kann mir nicht vorstellen dass ein vernünftig gehärtetes/vergütetes Zahnrad schneller verschleißen soll als ein Kunststoffzahnrad. Kannst du eine Quelle benennen wo man das nachlesen kann.

Nein, eine Quelle kann ich nicht nennen. Ich hatte als Jugendlicher mal ein kräftig motorisiertes Elektro-Modellauto, bei dem auf dem Motor ein Messingzahnrad saß und an der Achse ein Kunststoffrad. Das Messing war nach einer gewissen Zeit stark verschlissen, während das Kunststoffzahnrad aussah wie neu. Habe darüber mal mit einem Maschinenbauer gesprochen, und der hat mir erklärt, dass das allgemein so wäre, dass in diesem Fall das härtere Material verschleißen würde. (so habe ich es in Erinnerung)

Es kann aber auch sein, dass diese Aussage nicht allgemein auf Metall-Kunststoff bezogen war, sondern vielleicht nur auf die Paarung Messing-Kunststoff. Vielleicht ist das die Ursache meines Denkfehlers.

 

[tesuji]

omg, Das wird ja immer schlimmer ! Das stellt ja jedes Kaffesatz lesen in den Schatten

 

[kar]

Tut mir Leid. Wenn die Frage wirklich so dumm ist, dann vergiss sie.

Lass mich noch kurz die Antworten des Threads zusammenfassen:
1. Die Beobachtung mit dem Zahnradpaar war wohl ein Spezialfall. Besonders weiches billiges Metall gegen guten Kunststoff. Bei normalem oder hochwertigerem Metall wäre der Kunststoff eher verschlissen.

2. Verschleiß beim Fräsen von Metall versus Holz
a) Holz enthält abrasive Bestandteile
b) Holz wird eher geschnitten und Metall eher gerupft, deshalb bedarf es beim Holz scharfer Schneiden. Abstumpfen ist bei Schneiden für Metall weniger schlimm als bei Schneiden für Holz.
c) Metall wird langsamer bearbeitet außer bei HSC, wo andere Effekte zum Tragen kommen.

 

[H. Gürth]

Die Beobachtung mit dem Zahnradpaar war wohl ein Spezialfall. Besonders weiches billiges Metall gegen guten Kunststoff. Bei normalem oder hochwertigerem Metall wäre der Kunststoff eher verschlissen.

Würde eher mal behaupten ein Denkfehler.
Die Übersetzungsverhältnise mal geschätzt:
Motorritzel 8 - 10 Zähne und hohe Drehzahl
Abtriebsrad (Kunststoff) 30,40,50 Zähne.

Preisfrage: Welches Zahnrad arbeitet mehr ?

 

[tesuji]

Gute Idee H.Gürth.

Aber selbst in diesem Falle übersteht Schwerarbeiter Ritzel alle hinterhältigen tribologischen Attacken des garstigen Kunststoffzahnrades. An ihm sind nirgendwo Zahnflankenverschleiß, Altersgrübchen, Pittings auszumachen, aber das arme Kunststoffrad - ohje, ohje...

Das kann man u.a in Dissertation von Robert Feulner nachlesen, vgl. etwa S. 42, 49, 60.

Ausnahme bilden faserverstärkte Kunststoffzahnräder. Hier kann man aber mittels Härten (ca. 58-60HRC) die genannten Verschleißarten am Stahlzahnrad verhindern.

Man braucht sich ja nur die Kenndaten der beteiligten Materialpaarung KS/ST anzusehen: E-Modul 4000/210000 N/mm2, Zugfestigkeit 70/1100N/mm2 (vergütet), Warmfestigkeit 120/550°C usw.

Auf der Strecke bleibt immer das arme Kunststoffzahnrad.

Aber was um Himmels Willen bedeutet denn Stahl wird "gerupft" ?
Ist das die Neu-Österreichische Simplifizierung für das ehrwürdige Zerspanen nach DIN 8589 ?

vgv Cliff

 

[Frederico]

000

 

[Raubsau]

@tesuji: Deshalb steht ja dabei man sollte es nicht zu laut sagen, is aber für den Laien vl. verständlicher.

Wenn du dir die Zerspanung auf einer Drehmaschine mal ansiehst wirds am deutlichsten. Ein Keil in Form eines Meißels wird vom Vorschub ins Werkstück gedrückt, welcher das Material im Grunde nur glatt abschert, während bei Holz die einzelnen Fasern direkt durchtrennt werden.

Das ganze is zugegebener Maßen fachlich nicht wirklich gut ausgedrückt, bevor ich mich aber noch weiter verhasple verspreche ich am Abend (wenn ich den andern PC hab) mal eine Skizze davon einzustellen was ich meine.

Glück gehabt, hab jetzt schon was geschafft:


Wie man sieht werden die einzelnen Körner des Metalls nur herausgebrochen bzw. abgeschert, das ganze geschieht aber im mikroskopischen Bereich weshalb man normalerweise nichts davon merken sollte. Auffällig wirds aber weil man von der Schneidengeometrie nicht direkt auf die Rauhheit eines Materials schließen könnte. Wäre Stahl monokristallin (sprich: ein großes Korn und nicht viele viele kleine) wär dies ohne weiteres möglich, da man dann direkt durschneiden kann.

 

[kar]

Würde eher mal behaupten ein Denkfehler.
Die Übersetzungsverhältnise mal geschätzt:
Motorritzel 8 - 10 Zähne und hohe Drehzahl
Abtriebsrad (Kunststoff) 30,40,50 Zähne.

Preisfrage: Welches Zahnrad arbeitet mehr ?

Starkes Argument. Eigentlich offensichtlich, aber trotzdem habe ich das nicht bedacht.
Vielleicht war das der Grund, warum der Konstrukteur diese Paarung gewählt hat. Der hat vielleicht gedacht, Messing sei fünfmal härter als Kunststoff, also passt es wunderbar für das kleine Ritzel wenn das Untersetzungsverhältnis 1:5 beträgt.
Ohne Berücksichtigung der verschleißmäßigen Besonderheiten würde man als Laie dann gleichen Verschleiß bei beiden Zahnrädern erwarten.

Raubsau, das mit dem Rupfen habe ich denke ich schon so verstanden, wie du es gemeint hast. Das war schon OK so mit der Forumlierung. Deine Zeichnung verdeutlicht das aber nochmals ganz gut. Wenn man den Zahnwinkel in deinem Bild mit den Schneiden eines Holz-Hobelmessers vergleicht, ist eigentlich alles klar.

Tesuji, hast eine schöne, auch für Nichtfachleute lesbare Dissertation ausgegraben. Dort wurden Kunststoffzahnräder gegen Stahlzahnrädchen laufen lassen, allerding in einer extrem 'unfairen' Paarung. Das Stahlritzel hatte eine Härte von > 55HRC. Über die Härte des Kunststoffes habe ich keine solche Angabe gefunden, aber die wird wohl mehrere Größenordnungen (vielleicht 100?) geringer sein, als die des Stahlritzels. Interessant wäre es gewesen, wenn er ein Metall gewählt hätte, mit einer ähnlichen Härte wie die des Kunststoffes oder nur fünf bis 10 mal härter.

Bei meinem Modellauto war es ein kleines Messing-Ritzel gegen das größere Kunststoff-Zahnrad. Habe das Modellauto übrigens heute noch. Ich muss die Zahnräder unbedingt mal fotografieren.

 

[Raubsau]

Die Härte von Kunststoff und Stahl kann man nur sehr schlecht vergleichen, da Kunststoff kaum mit dem HRC-Verfahren (gängig für Stahl bis ca. 70 HRC) geprüft werden kann (zu weich). Umgekehrt kann man mit Verfahren für weiche Materialien kaum gehärteten Stahl prüfen. Für Kunststoffe kann z.B. die Prüfung nach Shore erfolgen.