Spanende Fertigung Hart auf Hart

Die spanende Bearbeitung von Werkstoffen mit über 50 HRC erfordert spezielle Hartmetallwerkzeuge.

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Die spanende Bearbeitung von Werkstoffen mit über 50 HRC erfordert spezielle HartmetallwerkzeugeDie Bearbeitung von Werkstoffen mit einer Härte von über 50 HRC hat in den letzten Jahren immer mehr zugenommen. Speziell im Formen- und Werkzeugbau stellt diese Werkstoffgruppe einen immer größeren Anteil an den zu zerspanenden Materialien dar. Ein Großteil der zu bearbeitenden Werkstoffe liegt in einem Härtebereich von 53 bis 58 HRC, im Maximalfall können auch Werte von 65 HRC bei der Bearbeitung von Hochleistungstählen wie X 155 CrVMo 121 erreicht werden Die Anforderungen an die Werkzeuge verlangen einen prozesssicheren Ablauf mit optimierten Standzeiten und maximaler Oberflächenqualität, um eventuell notwendige nachgeschaltete Poliervorgänge zu minimieren oder komplett ersetzen zu können.

Um Lagerhaltungen und Logistik eines Produktionsbetriebes überschaubar zu halten, sollten eingesetzte Werkzeuge nicht zu werkstoffgruppenspezifisch sein, sondern in einer breiten Palette an Materialien optimal eingesetzt werden können. Als Grenzbereich hat sich eine Härte von 53 bis 55 HRC als Scheidepunkt für normale Werkzeuge und Werkzeuge für die Hartbearbeitung etabliert. Um Hartbearbeitungswerkzeuge zu produzieren, genügt es nicht an ein normales Werkzeug eine modifizierte Geometrie anzuschleifen.

Schon bei der Auswahl des Hartmetalls muss auf seine Eignung für die Bearbeitung von Hartwerkstoffen geachtet werden. Weil die physikalischen Belastungen bei Bohrern und Fräsern unterschiedlich sind, müssen beide Gruppen getrennt betrachtet werden. Im Folgenden liegt der Schwerpunkt bei der Fräserauswahl. Ab einer Härte von 53 HRC empfiehlt es sich, Werkzeuge aus Hartmetall mit einem geringeren Kobaltgehalt einzusetzen als bei Standardwerkzeugen üblich. Weil die Reduzierung des Kobaltgehaltes im Hartmetall sofort einen negativen Effekt auf die Zähigkeit des Grundmateriales hat, ist bei solchen Werkzeugen die Stabilität und Vibrationsarmut der Bearbeitungsmaschine für die Lebensdauer des Werkzeuges von großer Bedeutung.

Die Bestimmung des optimalen Kobaltgehaltes im Werkzeug kann nur über intensive Versuchsreihen ermittelt werden. Neben dem Substrat ist ein weiterer kritischer Faktor der optimierte Verschleißschutz. Speziell im Formenbau werden an das Werkzeug hohe Anforderungen bezüglich der Formtreue gestellt. Unterliegt das Werkzeug einem zu hohen Verschleiß sind die erzielbaren Standmengen unwirtschaftlich. Als besonders geeignet hat sich eine Xidur-Beschichtung – eine spezielle Art der TiAlN-Schicht – herausgestellt.

Schnittwerte müssen dem Werkstoff angepasst sein

Ein kritischer Punkt bei der Bearbeitung ist der Schnittdruck auf den Schneidkanten. In diesem Zusammenhang sollte die Schnittgeschwindigkeit (vc) mit steigender Werkstückhärte reduziert werden. Die im Folgenden angegebenen Werte sind als Einstiegswerte zu betrachten und den gewünschten Oberflächengüten oder Toleranzen entsprechend zu verändern.- Beim Bearbeiten von gehärtetem Stahl mit 30 bis 45 HRC mit dem Stirnradiusfräser Dixi 7532 HF Xidur ist eine Schnittgeschwindigkeit von 400 bis 500 m/min zu empfehlen. Bei 45 bis 55 HRC ergibt sich für vc 250 bis 350 m/min und bei 55 bis 65 HRC 100 bis 200 m/min.

- Bei der Nutbearbeitung von gehärtetem Stahl mit 45 bis 55 HRC mit dem Schaftfräser Dixi 7520 HF Xidur ergibt sich eine Schnittgeschwindigkeit von 40 bis 70 m/min. Bei 55 bis 65 HRC sind es 15 bis 40 m/min. - Bei der Umfangsbearbeitung von gehärtetem Stahl mit 45 bis 55 HRC mit dem Schaftfräser Dixi 7520 HF Xidur beträgt die Schnittgeschwindigkeit 200 bis 250 m/min. Bei 55-65 HRC liegt sie zwischen 80 und 120 m/min. Eine besondere Belastung der Schneide liegt bei rundlaufenden Werkzeugen im Zentrum. Bei einem senkrecht stehenden Werkzeug ergibt sich eine Schnittgeschwindigkeit von vc = 0 m/min. Bei harten Werkstoffen ist hier die Gefahr der Beschädigung der Schneide besonders groß. Um eine annehmbare Schnittgeschwindigkeit zu erzielen, sollte der Fräser mit einer Neigung von 10 bis 15° eingesetzt werden.

Vorschub bei steigender Härte ist niedriger zu wählen

Auch der Vorschub pro Zahn (fz) ist bei steigender Härte niedriger zu wählen. So reduziert sich fz bei einem Dixi 7532 HF Xidur Stirnradiusfräser bei einem Durchmesser von 5 mm von 0,07 (30 bis 45 HRC) über 0,06 (45 bis 55 HRC) auf 0,03 bei über 55 HRC. Das gleiche Prinzip gilt für die Eingriffstiefe beim Planfräsen und beim Umfangsfräsen. Auch dort führt bei steigender Werkstückhärte eine reduzierte Zustellung zu einer geringeren Werkzeugbelastung.Bei Werkstücken mit einer Härte von über 55 HRC ist das Gleichlauffräsen dem Gegenlauffräsen vorzuziehen. Bei dieser Bearbeitungsrichtung ist die mechanische Belastung auf der Schneide geringer. Die eingreifende Schneide nimmt zuerst die maximale Spandicke ab um anschließend einen immer dünner werdenden Span zu scheren. Dadurch unterliegt die Schneide einer gleichmäßigeren Druckbelastung als im umgekehrten Fall.

Verstärkt wird die Stabilität des Werkzeuges durch die Schneidengeometrie. Eine deutlich negative Anstellung des Spanwinkels erhöht die Widerstandsfähigkeit der Schneidkante gegen Ausbrüche. Bei Schaftfräsern zeigen Werkzeuge mit einem Spiralwinkel von 45° das beste Ergebnis. Flachere Winkel erhöhen die Schnittdrücke, die zu frühzeitigen Schneidenausbrüchen durch Ermüdung des Hartmetalls oder durch exzessive Stoßbelastungen führen. Als Schmierung und Kühlung haben sich wasserlösliche Öle und als Sprühnebel ein Luft-Öl-Gemisch bei hohen Drehzahlen bewährt.

Es sollte immer ein Werkzeug mit der maximal möglichen Schneidenzahl gewählt werden. Bei Schaftfräsern ist der Übergang Stirnschneiden zu Wendel der kritischste Punkt. Dort hat das Werkzeug die größte Spanleistung zu vollbringen und bewegt sich mit maximaler Punktgeschwindigkeit. Daher sollten torische Fräser mit Eckenradius oder aber zumindest Fräser mit Eckenfase eingesetzt werden. Im Gegensatz zu Fräsern ist die maximale Belastung des Bohrers auf den Stirnbereich der Schneide konzentriert.

Um der enormen mechanischen Belastung beim Eindringen und Zerspanen eines Werkstoffes mit einer Härte von über 55 HRC standzuhalten, muss der Spiralwinkel auf ein Minimum herabgesetzt werden. Da Materialien mit einer Härte von über 55 HRC kurzspanend sind, ist trotz der steilen Spannuten eine optimale Spanabfuhr gewährleistet. Bei steigender Stabilität der Schneide durch den steilen Span- und flachen Freiwinkel steigen auch die Schnittdrücke, um eine Zerspanungsleistung zu erbringen.

Bohrer hat höhere Torsionsfestigkeit

Aufgrund dieser Geometrie und der Tatsache, dass ein Bohrer ein Vielfaches seines Durchmessers als Länge hat, unterliegt er im Allgemeinen einer wesentlich höheren Torsionsbelastung als ein Fräser. Aus diesem Grund können bei der Hartbearbeitung für Bohrer und Fräser nicht dieselben Hartmetalle eingesetzt werden. Im Gegensatz zu den Fräsern wird bei Bohren ein Hartmetall mit einem höheren Kobaltgehalt als bei VHM-Werkzeugen üblich eingesetzt. Die dadurch erhöhte Torsionsfähigkeit des Bohrers erlaubt deshalb eine stabilere Schneidengeometrie.Neben der speziellen Geometrie und Hartmetallsorte werden bei Bohrern für die Hartbearbeitung ebenfalls spezielle Beschichtungen eingesetzt.

So haben die Dixi 1280 R Hartbearbeitungsbohrer dieselbe Xidur-Beschichtung wie die Fräser für die Hartbearbeitung. Wie bei den Fräsern ausgeführt, gilt auch beim Bohren in der Hartbearbeitung, dass die Schnittwerte mit steigender Werkstoffhärte deutlich herabgesetzt werden müssen. Beim Bohren in einem gehärteten Stahl 1.2379 mit einer Härte von 60 HRC mit dem Werkzeug Dixi 1280 Xidur mit 6 mm Durchmesser wurden folgende Schnittwerte gefahren: vc = 25 m/min, vf = 66,5 mm/min bei n = 1330 min-1 und f = 0,05 mm, ae = 24 mm, Schmierstoff:

Schneidöl Wisura AK 3000. Die erzielten Ergebnisse lagen etwa 20% über anderen vergleichbaren Werkzeugen für die Hartbearbeitung. Bei den Werkzeugen für die Hartbearbeitung haben sich eigene Werkzeugtypen mit speziellen Hartmetallen, Beschichtungen und Geometrien herausgebildet. Diese Entwicklungen ermöglichen eine effiziente und stückkostengünstige Bearbeitung von Werkstoffen mit hohen Härten. Der höhere Anschaffungspreis im Vergleich zu Standardwerkzeugen amortisiert sich deutlich durch die erreichte gesteigerte Produktivität, Zerspanungsleistung und höhere Prozesssicherheit.