Hartbearbeitung Prozessketten verkürzen

Die Hartbearbeitung gewinnt in verschiedensten Bereichen der Produktionstechnik immer mehr an Bedeutung. Ein Grund...

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Die Hartbearbeitung gewinnt in verschiedensten Bereichen der Produktionstechnik immer mehr an Bedeutung. Ein Grund dafür sind immer schnellere Innovationszyklen der Werkstoffhersteller mit einer Vielzahl an Werkstoffen, die individuell an die geplante Anwendung angepasst sind. Auf der anderen Seite müssen Unternehmen einem wachsenden Wettbewerbsdruck durch schnelle und flexible Fertigungsverfahren begegnen. Die Fertigbearbeitung gehärteter Werkstoffe bietet die Chance, andere Verfahren zu substituieren und durch Verzicht auf Zwischenprozesse wie dem Härten die Prozesskette zu verkürzen. Auf diese Weise gelingt es Unternehmen, flexibler auf die Anforderungen ihrer Kunden zu reagieren.Außer dem Hartdrehen, das inzwischen gerade in der Großserie immer häufiger eingesetzt wird und in vielen Bereichen die Schleifbearbeitung ersetzen konnte, rückt das Hartfräsen immer mehr in das Blickfeld. Ein typisches Beispiel dafür ist der Werkzeug- und Formenbau: Wurden Werkzeuge und Formen noch bis vor kurzem weitgehend im weichen Zustand vorbearbeitet und nach dem Härten durch Senkerosion oder Koordinatenschleifen fertiggestellt, so ist inzwischen das Hartfräsen auf dem besten Weg, sich in der Branche als kostengünstige Alternative durchzusetzen. Einen ganz anderen Bereich bildet die Entwicklung von Metal Matrix Composites (MMC): Diese Werkstoffgruppe zeichnet sich aus durch einmalige Eigenschaftskombinationen, die in keramischen und metallischen Werkstoffen nicht anzutreffen sind. MMC ist nur halb so schwer wie Stahl, dreimal steifer als Aluminium und fast so hart wie Keramik. In den späten 80er-Jahren galten die Verteidigungsindustrie und Anwendungen der Luft- und Raumfahrt mit einem Anteil von 80% als größter Markt für MMC im Jahr 2000. Während die Verteidigungsindustrie auch weiterhin ein wichtiger Anwender von Bauteilen aus MMC ist, haben sich in anderen Branchen neue Einsatzfelder für MMC entwickelt. So dienen Bauteile aus metallischen Verbundwerkstoffen nun auch immer öfter in der Automobilindustrie dazu, das Fahrzeuggewicht zu reduzieren und eine höhere thermische Beständigkeit zu erzielen. Prozesskettenanteil von HSC vor rasantem AnstiegDas HSC-Fräsen, also die Bearbeitung von Graphitelektroden und die direkte Hartbearbeitung der Form, ist bereits heute das wichtigste Fertigungsverfahren im Werkzeug- und Formenbau. Laut einer aktuellen Studie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT rechnen Hersteller und Anwender dieser Technik damit, dass der Prozesskettenanteil des HSC von derzeit rund 35% bis zum Jahr 2008 auf mehr als 50% ansteigen wird. Bei aller Leistungsfähigkeit des Verfahrens ist jedoch je nach Anwendung eine intelligente Verknüpfung mit komplementären Techniken wie dem Senkerodieren einer vollständigen Fräsbearbeitung vorzuziehen. Dies gilt vor allem dann, wenn sehr große Aspektverhältnisse erzeugt werden müssen, wie es häufig bei Spritzgießformen der Fall ist.Immer häufiger wird auch die Präzision bei der Hartfräsbearbeitung metallischer Hartlegierungen zu einem entscheidenden Faktor werden. Allein die Tatsache, dass Bauteile in einer Aufspannung fertig bearbeitet werden können, steigert die Genauigkeit erheblich. Die zum Umspannen erforderlichen Aufmaße lassen sich auf diese Weise deutlich reduzieren. Neue Entwicklungen im Bereich der Werkzeugmaschinen erlauben es heute, auch bei größeren Kavitäten prozesssicher Toleranzen von weniger als +/-0,01 mm einzuhalten.Die Werkzeugmaschinen für die Hartbearbeitung müssen hinsichtlich der Steifigkeit von Spindel und Maschinenaufbau sehr hohen Anforderungen gerecht werden. Höchs-te Genauigkeiten lassen sich nur dann erreichen, wenn die gesamte Struktur auch bei höheren Prozesskräften statisch und dynamisch stabil bleibt. Schwingungen müssen schnell gedämpft werden. Oft werden Werkzeug- und Werkstückspannung vernachlässigt, die jedoch in die Betrachtung einbezogen werden sollten. Eine interessante Alternative zu den heute verbreiteten Maschinenkonzepten bieten hydrostatische Achs- und Spindellagerungen, die zurzeit in der marktnahen Entwicklung sind und bereits in ers-ten Maschinen eingesetzt werden. In hydrostatischen Lagern sind alle Metallteile durch einen Flüssigkeitsfilm voneinander getrennt. Deshalb hat das vollkommen verschleißfreie System eine hohe Eigendämpfung und Steifigkeit. Gegenüber konventionellen Systemen führt das zu deutlich höherer Genauigkeit.Pulvermetallurgisch (PM) hergestellte Werkzeugstähle ermöglichen aufgrund ihres Eigenschaftsprofils große Verbesserungen hinsichtlich Warmhärte, Verschleißbeständigkeit und Zähigkeit. Diese wichtigen Eigenschaften für den Einsatz als Werkzeugstahl führen in der Bearbeitung jedoch oft zu deutlich geringerer Werkzeugstandzeit und schlechten Bearbeitungsergebnissen. Dies gilt vor allem für das Fräsen. Beim Hartdrehen und Schleifen verbessert sich bei angepassten Parametern sogar die Zerspanbarkeit. Weil Härte und Zähigkeit durch das feinkörnige und karbidreiche Gefüge der PM-Werkstoffe zugleich auf ein sehr hohes Niveau steigen, verfügen die Werkstoffe hinsichtlich Spanbildung und Prozesscharakteristika über ein gänzlich anderes Eigenschaftsprofil.Das Fraunhofer IPT führte Fräsversuche mit beschichteten Werkzeugen aus Feinstkornhartmetall durch. Dieser Schneidstoff bietet höchste Flexibilität - vor allem aufgrund der großen Zahl verfügbarer Werkzeuggeometrien und angepass-ter Schichten. Dies ist gerade für die Einzelteilfertigung des Werkzeug- und Formenbaus von großer Bedeutung. Das feindisperse pulvermetallurgische Gefüge ist beim Hartfräsen die Ursache für eine ganze Reihe von Veränderungen gegenüber konventionellen Werkstoffen. Die feine Verteilung der Karbide ist von Vorteil, weil die Schneide nicht unvermittelt durch große und zeilige Karbide belastet wird. Diese führen bei der Zerspanung konventionell erschmolzener Kaltarbeitsstähle häufig zu großen Schneidenausbrüchen und damit zu einem frühzeitigen Erliegen der Werkzeuge. Der abrasive Verschleiß durch die Vielzahl der Karbide und die starke Neigung zur Adhäsion beim Bearbeiten von PM-Werkstoffen verringert jedoch die Standzeit. Dies erklärt auch die deutlich reduzierte Standzeit der Fräswerkzeuge, vor allem bei der Schlichtbearbeitung.Die Zähigkeit des Werkstoffs verursacht zudem Verklebungen an der Werkzeugschneide, die durch periodisches Abgleiten in den Span auch die Schwingungsneigung des Prozesses deutlich erhöhen. Bei ungünstigen Geometrien verstärkt sich zudem die Gratbildung. Besonders beim Einsatz sehr kleiner Werkzeuge zur Bearbeitung von Nuten stellte sich dies - und nicht etwa die Härte des Materials - als großes Hindernis für eine prozesssichere Fertigung heraus. Insgesamt weisen die pulvermetallurgisch hergestellten Werkzeugstähle im Vergleich mit konventionell erschmolzenen Werkzeugstählen eine deutlich verbesserte Zerspanbarkeit im Schruppprozess auf. Mit einer geringeren Spanungsdicke, sei es im Schlichtprozess oder beim Einsatz von Kleinstwerkzeugen, wächst allerdings die Bedeutung des hohen abrasiven Verschleißes und schränkt die Zerspanbarkeit deutlich ein.Nur Diamantwerkzeug erzielt zufrieden stellende ErgebnisseDie Bearbeitung von P-MMC unterliegt ganz anderen Randbedingungen als das Hartfräsen im Werkzeug- und Formenbau. So müssen nicht nur die hohe Härte der eingelagerten Partikel, sondern auch die Restporosität des Werkstoffes von etwa 10% berücksichtigt werden. Sie ist, neben der hohen abrasiven Wirkung durch das Verstärkungsmaterial, ein Grund dafür, dass der Verschleiß der Werkzeuge höher ist als bei vollkommen dichten Werkstoffen. Grundsätzlich lassen sich bei der Bearbeitung von MMC nur anhand von Diamant-Werkzeugen qualitativ und wirtschaftlich zufrieden stellende Ergebnisse erzielen. Aufgrund der höheren Verschleißfestigkeit empfiehlt sich grobkörniges PKD. Bei Schruppoperationen wird eine sehr hohe Schnitttiefe angestrebt. Die Schnittgeschwindigkeiten können im Vergleich zur Bearbeitung von Aluminiumlegierungen geringer angesetzt werden und sollten zwischen 300 und 600 m/min liegen. Bei der Endbearbeitung hingegen ist ein höherer Werkzeugverschleiß zuguns-ten einer qualitativ besseren Oberflächengüte in Kauf zu nehmen. Die Bearbeitung von P-MMC ist Gegenstand eines umfangreichen Forschungsprojektes, das zur Zeit vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie bearbeitet wird. Je komplexer der Einzelprozess des Hartfräsens durch neue Maschinen, Steuerungen und verbesserte Prozesstechnologie wird, desto größer der Wettbewerbsvorteil, den Unternehmen durch eine angepasste Fertigungsplanung, NC-Programmierung und Integration des Fräsens in ihre Prozessketten erarbeiten können.Moderne CAM-Systeme helfen bei der ProzessauslegungNicht nur die große Vielfalt an Werkstoffen, sondern auch der Variantenreichtum im Werkzeug- und Formenbau führen dazu, dass das Prozesswissen für eine optimale Prozess-auslegung immer schwieriger zu handhaben ist. Heutige CAM-Systeme helfen bei solchen Entscheidungen durch hinterlegte Parameter- und Werkzeugdatenbanken. Die Wahl der richtigen Frässtrategien für die NC-Programmierung übt einen großen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis aus - qualitativ wie wirtschaftlich. Grundsätzlich stellt sich die Frage, wie das verbliebene Restmaterial nach der Schruppbearbeitung, die häufig im Weichen erfolgt, werkzeugschonend und kostengünstig zerspant werden kann. Nur wenn dies gewährleistet ist, ist eine konstante Aufmaßverteilung auf den Flächen für eine genaue und reproduzierbare Schlichtbearbeitung gewährleistet.Besondere Aufmerksamkeit muss deshalb gerade bei der Hartbearbeitung der Auslegung der Prozesse gelten - im Hinblick auf die gewünschten Bauteilcharakteristika ebenso wie auf die Belastungen von Werkzeug und Maschine. Wenn diese Randbedingungen berücksichtigt werden, eröffnen sich der Technologie deutliche Wachstumschancen. Literatur:[1] HSC-Fräsen. Unveröffentlichte Studie. Aachen: Fraunhofer IPT 2004.[2] Jung, I.: Neue Hochleistungsstähle - Herstellverfahren, Eigenschaften und Anwendungen für den Formenbau. Stahl 1/2004, S. 73]76.[3] Klocke, F., S. Knodt und M. Markworth: Hard milling of powder metallurgical steel for sinter tools. In: Proceedings of the PM2TEC2002 - Advances in Powder Metallurgy and Particulate Materials, 16. bis 21. Juni 2002, Orlando/USA,S. 3/32]3/37.[4] Klocke, F., L. Glasmacher und S. Knodt: Es gibt noch viel zu tun - in der CAD/CAM-Kette steckt noch jede Menge Entwicklungspotenzial. Form und Werkzeug 9/2002, S. 32]37.