CC BY
47
ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 621.9
R. Heiler, R.P. Zeilmann*, G. Estel, O. Cordes
HTW-Berlin, *UCS Caxias do Sul
THREADING IN HEAT RESISTANT CAST STAINLESS STEEL DIN 1.4848 FOR TURBOCHARGER HOUSINGS
Turbochargers are important components to minimize the petrol consumption of modern gasoline engines. The temperature in the turbocharger housings can reach until 1.050 °C. Due to this reason, high heat resistant stainless steel, like the material DIN 1.4848 with a high quantity of nickel (up to 25 %) and chrome (up to 20 %) is used in this application. During metal cutting operations the temperature at the cutting edge will increase due to the high quantity of nickel and the abrasive wear will be created by the chrome carbides within the cast material. The material hardness can increase by the machining process. Drilling and threading are one of the most critical machining operations in this material, because a huge frication area exists between the material and the tool. This provokes a high friction and the possibility of built-up-edge at the cutting edge which provides the rapid wear of the tool. In this part of the development project the tool life of different threading tools was analyzed. Taps in HSS-Co-PM and solid carbide were available for the tool life tests. The possibility to use the cold forming technology for threading was also analyzed. The strength of the internal threads was tested with pull out tests according DIN 898-2.
Key words: turbochargers, cast stainless steel, threading, cutting thread, cutting tap, helix angle, tool wear, tool life, cutting edge.
Modern turbochargers are important components to reduce the gasoline consumption on actual and future engines. The reduction of the cubic capacity (downsizing) of an engine with a simultaneous increasing power, reduced gasoline consumption and a significant decrease of CO2 output is only possible by using modern turbocharger technology and fuel injection systems [1]. Drilling and threading are quite difficult technologies in cast stainless steel 1.4848, due to the internal machining with critical chip evacuation and the high friction load between tool, work piece and chips. The chrome carbides generate a strong abrasive wear and the high contend of nickel create a increasing thermal wear on the cutting edge. The relatively high elongation rate of the cast steel (A10 ca. 12 %) enables the use of the cold forming threading technology. The research project was financed by the Commission for scientific support of the HTW-Berlin (FNK). The material analysis and the hardness tests were done in co-operation with the University of Caxias do Sul, Brasil.
Test conditions. The test material is high alloyed, austenitic, cast steel according DIN EN 10295 material number 1.4848 (GX40CrNiSi25-20). This material is typically used for turbo charger housings, turbine parts, heat resistant parts of industry furnaces [2]. The cutting tests were done on a 3 axis CNC machining centre SPINNER MVC 610 with a SIEMENS 840 D SL control and synchronized spindle for rigid tapping. The threading tests were carried out with internal coolant supply (20 bar) and soluble oil (7-8 %) based on hebro®lub 565B from Hebrochemie
© Heiler R., Zeilmann R.P., Estel G., Cordes O., 2013
93
ВЕСТНИК
МГСУ-
12/2013
GmbH. The axial force and torque during the threading operation were measured with a Kistler 4 axis dynamometer type 9272. For tool wear inspection a digital microscope with wear measurement software was used. The inspection and analysis of the cutting edges were carried out with a scanning electron microscope from Joel type JSM 5400 and the pull out tests of the threads according DIN 898-2 [3] were done with the pull out test machine Zwick/Roell Type ZMART.PRO in the laboratory of material science at the HTW-Berlin. The necessary thread holes were drilled with high performance solid carbide drills. All threading tests were done with a rigid tapping attachment with minimized axial elongation (elongation: pull out 1,0mm, pressure 0,2 mm) from Hahn&Kolb Type Orion and synchronized spindle.
Test results. Threading tools. Within the threading tests (size M8) 6 different cutting taps made of HSS-Co / HSS-Co-PM, one tap made of solid carbide and one cold forming tap (HSS-Co) was used (Fig. 1).
Tool Cuttingpart No of flutes Helix angle o Rake angle Chamfer form Substrate Surface
HSS-Co-PM
1.1 2EF 3 40° 7° С TiN
HSS-Co-PM
1.2 jgjjs^ 3 50° 8° С TiCN
Solid carbide
2.1 3 16° 6° С TiCN
2,2
3.1
4,1
4,2
3,2
forming tap
45°
45°
20°
13°
HSS-Co-PM
HSS-Co
HSS-Co-PM
HSS-Co-PM
HSS-Co
TiCN
TiAIN + WCC
TiAIN + WCC
TiAIN + WCC
TiAIN + MoSj
Fig. 1. Cutting taps (1.1 to 4.2) and forming tap (3.2)
One tap is designed with straight flutes, which are often used in short chipping cast iron materials, two taps are made with a small helix angle of ca. 15—20° and four taps are designed with a high helix angle up to maximum 50°. The straight fluted tap is produced with 4 flutes, all other taps have three flutes. Only the tap with the high helix of 50° is designed without internal coolant supply. The internal coolant supply can improve the chip evacuation during the threading operation. For the low helix taps up to ca. 20°, the internal coolant supply is absolutely necessary for the chip evacuation. Without internal coolant supply, the chips jamming can cause a strong increase of the torque and this can end up in tool breakage. With a higher helix, the chips are transported by the helical flutes and the internal coolant supply only supports the chip transportation. The threading tools are coated with different PVD
coatings to mainly increase the wear resistance of the cutting edge. The top layer WCC and MoS2 reduces the friction between tool and work piece (in the threading part) and chips (in the flutes).
Beside the macro geometry of the tools, also the micro geometry of the cutting edge and the surface roughness of the threading tools were analyzed with the scanning electron microscope (Fig. 2). On the coated surface a different quantity of droplets could be observed. Droplets increase the friction of the flutes and hinder the chip transportation. During the first threads this droplets are cleaned of in the flutes as well as the guiding part of the tap. With the scanning electron microscope a different design of the cutting edge is visible. On some of the HSS-Co tools still a small burr is remaining on the cutting edge. During the cutting operation, this can cause chipping of the whole cutting edge. Only a slightly rounded cutting edge is positive, because this can give a good compromise between a stabile and even sharp cutting edge. The solid carbide tap does have a negative facet on the cutting edge. The negative facet induces pressure tension in the cutting wedge and could reduce the risk of chipping. Also the chips are strongly formed and due to the high cold hardening during this operation, the chips are breaking.
Chamfer part, Zoom
Cutting tap 3.1
Chamfer, cutting edge.
Chamfer, cutting edge,
4 ч
4© : Л, N
Fig. 2. Mircro geometry of the cutting edge of tool 2.1. and 3.1 [2]
The chip formation is mainly influenced by the helix angle and the flute profile. A high helix angle produces long and smoothly curled chips. The straight fluted tap and the solid carbide tap with the negative facetted cutting edge producing short chips due to the higher chip deformation. The 20° helix tap is producing semi long chips.
Cutting data. The thread depth was defined to 1,75*Dc (ca. 14 mm thread depth) and the drill diameter was Dc = 6,8 mm. To reduce the risk of cold hardening of the surface, the holes were made with reduced cutting speeds and feeds (v. = 45 m/min and f = 0,09 mm) and the solid carbide drills were changed after 800 holes. Due to this, the negative impact of cold hardening is minimized [4]. The cutting speed for the HSS-Co taps was constant vc = 6 m/min, for the solid carbide tap a cutting speed of v = 12 m/min was recommended from the tool supplier.
ВЕСТНИК
МГСУ-
12/2013
Axial force, cutting torque and tool wear. Within the cutting tests the different tap designs showed clear performances differences. The straight fluted taps are not recommended for machining 1.4848. Already in the first thread clear chipping in the chamfer part was indicated. Even with the internal coolant supply it was not possible to remove the chips out of the threads. Higher axial force and a peak of the cutting torque in combination with a crackling noise were indications of the chip transportation problems.
With the high helix taps it was possible to reach up to 170 threads. The chip transportation is much better, but also a higher wear on the front cutting edge of the chamfer part is visible. Some of this taps showed already after ca. 20 threads chipping in this part of the chamfer. A lower helix angle in combination with an internal coolant supply could be favourable due to a more stable cutting wedge.
The solid carbide taps showed the best performance of all tested cutting taps. Even with the double cutting speed (vc = 12 m/min) it was possible to reach 800 threads (in comparison to 170 threads with the best HSS-Co cutting tap). These taps are producing, due to the facetted cutting edge, always short chips, which are evacuated with the internal coolant supply. But beside the total tool life, it is important to know, that the solid carbide taps showed chipping in the chamfer part after only 50 — 150 threads. Even with some broken chamfer teeth it was possible to reach a total tool life of 800 threads true to gauge. The chipping of the teeth could be influenced by the flaking of the PVD coating on the rake face and the facet after only 20 threads.
Cold thread forming is an alternative to conventional cutting taps for threading cast stainless steel. Within the test field it was possible to reach 250 threads true to gauge with the HSS-Co cold forming taps. On 2 out of 4 test tools a quite soon flaking was indicated and the tool life for these tools was low due to a strong abrasive wear. For cold forming in this difficult to machine material it is recommended to increase slightly the oil content in the soluble oil to e.g. 10 % (Fig. 3).
Fig.
Cutting taps
3. Results of tool life tests [2]
Pull out tests and thread strength. In basic pull out tests the strength of cold formed and conventional cut threads was investigated. The pull out tests were done according DIN 898-2 with high strength bolts class 12.9. The tests were done with three different thread depths:
1. maximum thread depth (1,75*Dc = 14 mm)
2. reduced thread depth (1,25*Dc = 10 mm)
3. thread depth according DIN 898-2 (0,8xDc = 6,4 mm)
For the maximum thread depth (1), for both threads (cut threads and formed thread), the bolts were broken without destroying the internal thread. No difference in thread strength was detected. With the reduced thread depth (2) the cut threads are destroyed, while the formed threads are still bear the load. The higher strength of the cold formed threads is also visible with the minimized thread depth (3). In comparison to conventional cut threads, the cold formed threads do have a higher strength. The difference can be noticeable with a reduced thread depth (below 1,25*Dc). Above 1,75*Dc, no differences are recognizable (Fig. 4).
Fig. 4. Results of pull out tests for cutted and cold formed threads
Summary. As part of the investigations different cutting and cold forming taps were tested in producing threads in heat resistant cast stainless steel 1.4848. The investigations showed that high helix taps are favourable to use in threading this steel material in comparison to straight fluted taps. Even with internal coolant supply it was not possible to use the straight fluted taps. The tools broke within the first threads. Low helix taps with ca. 20° helix angle and internal coolant supply could be an alternative to high helix taps, due to a more stable cutting wedge. Even in the cast stainless steel, solid carbide taps are the most productive cutting taps. Tool life (800 thread with SC to 170 threads with HSS-Co) and cutting speed (SC = 12 m/min
to HSS-Co = 6 m/min) are much higher than with conventional HSS-Co taps. Due to the brittle substrate chipping of teeth in the chamfer was visible, but no total tool breakage occur. Also cold thread forming could be a interesting alternative to conventional cutting thread technologies due to longer tool life (>250 threads) and higher thread strength specially for less deep threads.
References
1. Albrecht B. Abgasturbolader von Bosch Mahle Turbo Systems. Pressemitteilung der Bosch Mahle Turbo Systems. Frankfurt a. M., September 2009.
2. Cordes Oliver. Untersuchungen zur Innengewindefertigung in hitzebe-ständigem Edelstahlguss für Turboladergehäuse. Master-thesis, HTW-Berlin 2012. Zentrale für Gussverwendung-ZGV, Hrsg. Feingießen, Herstellung, Eigenschaften, Anwendungen. Konstruieren + Gießen. Düsseldorf, Deutscher Gießereiverband, 2008, no. 33, H.1.
3. DIN898-2. Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl — Teil 2: Muttern mit festgelegten Prüfkräften — Regelgewinde (ISO/DIS 898-2:2009). Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V, 2010.
4. Schmier M. Randzonenveränderungen beim Bohren und ihre Auswirkungen auf Folgebearbeitungsverfahren. Dissertation Universität Kassel, 2004.
Поступила в редакцию в октябре 2013 г.
About the authors: Heiler Roland—Doctor of Engineering, Professor, Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW-Berlin), Treskowallee 810318, Berlin, Germany; +49 30 5019-0; Roland.Heiler@HTW-Berlin.de;
Zeilmann Rodrigo Panosso — Doctor of Engineering, Professor, Universidade de Caxias do Sul (UCS), Rua Francisco Getülio Vargas, 1130, 95070-560, Caxias do Sul, RS, Brazil; +55 54 32182100;
Estel Göran — Master of Engineering, Hochschule fürTechnik und Wirtschaft (HTW-Berlin), Treskowallee 810318, Berlin, Germany; +49 30 5019-0; Goeran.Estel@ HTW-Berlin.de;
Cordes Oliver — Master of Engineering, Hochschule fürTechnik und Wirtschaft (HTW-Berlin), Treskowallee 810318, Berlin, Germany; +49 30 5019-0; Goeran.Estel@ HTW-Berlin.de.
For citation: Heiler R., Zeilmann R.P., Estel G., Kauer T., Cordes O. Threading in Heat Resistant Cast Stainless Steel DIN 1.4848 for Turbocharger Housings. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 12, pp. 93—100.
Р. Хайлер, Р.П. Цайлман, Г. Эстел, О. Кордес
РЕЗЬБОНАРЕЗАНИЕ В ТЕРМОУСТОЙЧИВОЙ ЛИТОЙ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ DIN 1.4848, ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ДЛЯ КОРПУСА ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЯ
Современные турбонагнетатели — важный инструмент снижения расхода топлива в существующих двигателях и двигателях, которые еще будут сконструированы. Температура в корпусе турбонагнетателя может достигать 1050 °C, поэтому необходимо использовать термоустойчивую литую сталь, такую как 1.4848 с большим содержанием никеля (до 25 %) и хрома (до 20 %). В процессе резьбы температура в районе режущей кромки повышается из-за высокого содержания никеля и образуется абразивный износ. Твердость материала может увеличиться в процессе машинной обработки. Технологии сверления и резьбонарезания для этого материала достаточно сложны, потому что между материалом и инструментом присутствует большая площадь трения. Это является причиной большого коэффициента трения, вероятности нарастания краев и быстрого износа инструмента.
Проанализирован срок службы резьбонарезных инструментов из различных материалов и прочность резьбы.
Условия проведения эксперимента
Использованный для эксперимента материал — это высоколегированная, ау-стенитная листовая литая сталь № 1.4848 (GX40CrNiSi25-20). Пробные проходы были выполнены при помощи ЧПУ типа CNC SPINNER MVC 610 с синхронизированным измерительным наконечником. Все испытания на резьбонарезание производились с приспособлением для жесткого нарезания резьбы с минимизированным продольным удлинением. Испытания были произведены с эмульсионной СОЖ (7...8 %) и подачей СОЖ через внутренний канал (20 бар). Продольная сила и крутящий момент при резьбонарезании измерялись осевым динамометром Kistler 4 9272. Контроль состояния режущей кромки производился электронно-сканирующим микроскопом (ЭСМ) типа Joel JSM 5400, а испытание на прочность резьбы, в соответствии со стандартами немецкого издания Европейского комитета по стандартизации DIN EN 898-2, устройством Zwick/Roell типа ZMART.PRO. Необходимые резьбовые отверстия сверлились высокопроизводительными сверлами из твердого карбида.
Результаты эксперимента
Резьбонарезные инструменты. В рамках эксперимента на резьбонарезание (размер М8) использовались 6 различных метчиков, изготовленных из HSS-Co / Hss-Co-PM, один из твердого карбида и один, изготовленный методом холодного формирования (HSS-Co). Один метчик имел прямую канавку, два изготовлены с маленьким углом наклона примерно в 15.20°, и четыре с большим углом наклона до 50°. Только метчик с большим углом не снабжен подачей СОЖ через внутренний канал. Чтобы увеличить срок эксплуатации, все резьбонарезные инструменты имеют покрытие, нанесенное методом осаждения из паров. Верхний слой WCC и MoS2 (на четырех метчиках) уменьшает трение поверхности инструмента. Микрогеометрия режущей кромки и чистота поверхности были проанализированы ЭСМ. На поверхности наблюдалось большое количество вкраплений. Вкрапления повышают трение и создают помехи удалению стружки. Присутствовали различные формы режущей кромки. На некоторых инструментах на режущей кромке остаются маленькие зазубрины. Это может привести к обкалыванию всей режущей кромки. Метчик из твердого карбида не имеет отрицательной грани с целью снизить риск поломки зубьев.
Данные для расчета режимов резания. Глубина резьбы была установлена как 1,75Dc. Чтобы снизить риск холодного отверждения поверхности, отверстия были проделаны на сниженных скоростях и шагах нарезки (vc = 45 м/мин, f = 0,09 мм), и сверла из твердого карбида менялись после 800 отверстий. Скорость нарезания для метчиков из HSS-Co была vc = 6 м/мин, для метчика из карбида — vc = l2 м/мин.
Продольная сила, крутящий момент и износ инструмента. Метчики с прямой канавкой не рекомендуются для обработки стали 1.4848. Даже с системой подачи СОЖ через внутренний канал было невозможно извлечь стружку, и инструмент ломался в первом же отверстии. В случае большого угла наклона оказалось возможно просверлить до 170 отверстий. Удаление стружки более качественное, но некоторые метчики уже после 20 отверстий обнаружили скалывание в канавке. Более маленький угол наклона в сочетании с подачей СОЖ через внутренний канал предпочтителен благодаря более стабильному лезвию. Метчики из твердого карбида продемонстрировали более качественную работу. Даже при скорости vc = 12 м/мин можно было достичь 800 отверстий. Но важно знать, что метчики из твердого карбида обнаруживали скалывание в области канавки уже после 50.150 отверстий. Даже если поломаны некоторые шестеренки канавки, метчик способен достичь срока службы в 800 отверстий, удовлетворяющих требованиям при проверке калибром. Холодная накатка резьбы — это альтернатива традиционным метчикам для резьбонарезания литой нержавеющей стали. С применением метчиков холодного формирования из HSS-Co оказалось возможным достичь 250 отверстий, удовлетворяющих требованиям. На двух из четырех инструментов было обнаружено расслаивание, и срок службы этих инструментов оказался коротким из-за сильного абразивного износа.
Испытание на прочность и допускаемая нагрузка на резьбу. Испытания на прочность (в соответствии с DIN 898-2 с использованием высокопрочного болта класса 12.9) были совершены на три различных глубины отверстий: (1) 1,75Dc = 14 мм;
(2) 1,25Dc = 10 мм; (3) В соответствии с DIN 898-2 0,8Dc = 6,4 мм. При максимальной глубине отверстия (1), болты ломались без деформации внутренней резьбы. Не было замечено различий в допускаемой нагрузке на резьбу. С уменьшенной глубиной отверстия (2) нарезанная резьба разрушалась, в то время как накатанная резьба еще несла нагрузку. Увеличенная допускаемая нагрузка на резьбу холодной штамповки также наблюдается для минимизированной глубины резьбы (3). В сравнении с традиционной резьбой, резьба холодной штамповки имеет более высокую допускаемую нагрузку.
Выводы
Были испытаны различные резьбонарезающие метчики и метчики холодной штамповки на предмет производства резьбы в термоустойчивой литой нержавеющей стали 1.4848. Исследование показало, что метчики с большим углом наклона предпочтительнее для резьбонарезания, чем метчики с прямой канавкой. Их не было возможно использовать даже в случае подачи СОЖ через внутренний канал. Маленький угол наклона примерно в 20° и внутренняя подача СОЖ может быть альтернативой метчикам с большими углами наклона. Метчики из твердого карбида обладают самой высокой производительностью. Срок службы (800 отверстий в случае с использованием метчиков из твердого карбида в сравнении с 170 отверстиями в случае HSS-Co) и скорость резьбонарезания (твердый карбид — 12 м/мин, HSS-Co — 6 м/мин) намного выше, чем в стандартных метчиках из HSS-Co. Из-за хрупкости было замечено обкалывание зубцов канавки, но полной поломки инструмента не происходило. Также резьба холодного формирования может быть интересной альтернативой традиционным технологиям резьбонарезания благодаря более долгому сроку службы (>250 отверстий) и более высокой допустимой нагрузке на резьбу для менее глубокой резьбы.
Ключевые слова: турбонагнетатель, литая нержавеющая сталь, резьбонаре-зание, резьбонарезной инструмент, метчик, угол наклона, износ инструмента, срок службы инструмента, режущая кромка.
Библиографический список
1. Albrecht B. Abgasturbolader von Bosch Mahle Turbo Systems. Pressemitteilung der Bosch Mahle Turbo Systems. Frankfurt a. M., September 2009.
2. Cordes Oliver. Untersuchungen zur Innengewindefertigung in hitzebe-ständigem Edelstahlguss für Turboladergehäuse. Master-thesis, HTW-Berlin 2012. Zentrale für Gussverwendung-ZGV, Hrsg. Feingießen, Herstellung, Eigenschaften, Anwendungen. Konstruieren + Gießen. Düsseldorf, Deutscher Gießereiverband. 2008, no. 33, H. 1.
3. DIN898-2. Mechanische Eigenschaften von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl und legiertem Stahl — Teil 2: Muttern mit festgelegten Prüfkräften — Regelgewinde (ISO/DIS 898-2:2009). Berlin, Deutsches Institut für Normung e.V., 2010.
4. Schmier M. Randzonenveränderungen beim Bohren und ihre Auswirkungen auf Folgebearbeitungsverfahren. Dissertation Universität Kassel. 2004.
Об авторах: Хайлер Роланд — доктор технических наук, профессор, Берлинский Институт техники и экономики (HTW-Berlin), Treskowallee 810318, Берлин, Германия, +49 30 5019-0, Roland.Heiler@HTW-Berlin.de;
Цайлман Родриго Паноссо — доктор технических наук, профессор, Университет Кашиас-ду-Сул, ул. Francisco Getúlio Vargas, 1130, 95070-560, Кашиас-ду-Сул, Бразилия, +55 54 32182100;
Эстел Гёран — магистр технических наук, Берлинский институт техники и экономики (HTW-Berlin), Treskowallee 810318, Берлин, Германия, +49 30 5019-0, Goeran, Estel@HTW-Berlin.de;
Кордес Оливер — магистр технических наук, Берлинский институт техники и экономики (HTW-Berlin), Treskowallee 810318, Берлин, Германия, +49 30 5019-0, Goeran.Estel@HTW-Berlin.de.
Для цитирования: Threading in Heat Resistant Cast Stainless Steel DIN 1.4848 for Turbocharger Housings / R. Heiler, R.P. Zeilmann, G. Estel, О. Cordes // Вестник МГСУ. 2013. № 12. С. 93—100.
