Hartbearbeitung steigert Genauigkeit

Bis vor wenigen Jahren gab es zum Schleifen keine Alternative, wenn es galt, Werkstücke mit einer Härte größer als 55 HRC in ihre endgültige Form bei hoher Oberflächengüte zubringen. Diese Grenze hat...

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Bis vor wenigen Jahren gab es zum Schleifen keine Alternative, wenn es galt, Werkstücke mit einer Härte größer als 55 HRC in ihre endgültige Form bei hoher Oberflächengüte zubringen. Diese Grenze hat sich mittlerweile aufgrund der Entwicklung von hochharten Schneidstoffen und entsprechenden Werkzeugmaschinen verschoben - zugunsten von Werkzeugen mit geometrisch bestimmter Schneide.Im Maschinenbau, in der Antriebstechnik sowie im Werkzeug- und Formenbau müssen viele Werkstücke nach dem Härten spanend bearbeitet werden. Bisher kam dabei vorwiegend Das Schleifen zum Zuge. das hat sich mittlerweile geändert. Durch die Entwicklung von hochharten Schneidstoffen kann heutzutage in vielen Bearbeitungsfällen die Hartbearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide das Schleifen ersetzen. Das Drehen, Fräsen, Bohren oder Reiben von gehärteten Werkstücken gewinnt zunehmen an Bedeutung. Gerade in den letzten Jahren hat die Hartbearbeitung erhebliche Fortschritte machen können. In einer Vielzahl von Anwendungsfällen konnte das Schleifen oder - beispielsweise im Werkzeug- und Formenbau - das Erodieren ersetzt werden. Spritzgießwerkzeuge beispielsweise werden in der Regel auf Vollmaterial herausgearbeitet. Hier hat sich bisher eine Schruppbearbeitung im weichen Zustand durch Fräsen etabliert. Nach dem Härten erfolgt wegen des Härteverzugs eine Feinbearbeitung durch Erodieren. dabei muss jedoch beachtet werden, dass die thermisch geschädigte Randzone, die so genannte weiße Schicht, häufig manuell beseitigt werden muss. Fortschritte in der Entwicklung von Fräswerkzeugen zur Hartbearbeitung machen nun auch eine komplette Fräsbearbeitung möglich. Mit leistungsfähigen Schneidstoffen in Verbindung mit angepassten Frässtrategien und dynamisch steifen Werkzeugmaschinen können Spritzgießwerkzeuge, Druckgießformen und Schmiedegesenke mit Festigkeiten bis 2000 N/mm2 in vergütetem Zustand geschruppt und geschlichtet werden. Die Probleme liegen dabei beim Fräsen von tiefen, filigranen Geometrien, beispielsweise Nuten als Negativ von Verstärkungsrippen, weil das lang auskragende Werkzeuge mit kleinen Durchmessern erfordert. Deshalb muss es bei der Wahl der Schnittgeschwindigkeit vorrangiges Ziel sein, Fräserschwingungen durch eine Anregung des Werkzeugs im Eigenfrequenzbereich zu vermeiden. Möglichst steife Grundmaterialien wie Schäfte aus Schwer- oder Hartmetall für den Werkzeugkörper tragen zur Schwingungsdämpfung bei. Drehen, Fräsen, Bohren oder Reiben statt Schleifen - in vielen Fällen ist das inzwischen selbstverständlich geworden - und das Ende der Fahnenstange ist noch keineswegs erreicht. ,,CBN ist der Werkstoff der Zukunft, der noch viel Potenzial in sich birgt", so Dr. Dieter Kress, geschäftsführender Gesellschafter der Mapal Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG in Aalen. Seiner Auffassung nach wird in wenigen Jahren das Schleifen durch das Härtfräsen abgelöst. Als Beispiel für die Leistungsfähigkeit des Hartfräsens nennt er die Fertigbearbeitung hochgenauer Kugelbahnen von homokinetischen Gelenken. Die Kugelbahnen in den Glocken solcher Gelenke werden mit vierschneidigen Fräswerkzeugen in Monoblockbauweise hartgefräst. Die Härte des Werkstoffs beträgt 58 bis 62 HRC. Neu in Angriff genommen wurde die Bearbeitung der Kugel-Käfige. ,,Dabei ist die Hartbearbeitung eine sehr diffizile Aufgabe, weil die Toleranzen sehr eng sind und das Bauteil sehr labil ist", so Kress. Er erläutert: ,, Bei einem speziellen Fräsverfahren taucht ein CBN-bestückter Formfräser immer wieder in den rotierenden Käfig ein und bearbeitet die Fenster." Mit dieser Methode werden die kürzesten Taktzeiten erreicht. Durch eine verbesserte Spannung der Schneiden und Optimierung der Schneidengeometrie konnte die Standzeit der Schneiden verdreifacht werden. ,,Auch dabei hat sich gezeigt", so Kress, ,,dass bei der Hartbearbeitung oberstes Gebot die Stabilität des gesamten Aufbaus von Werkstück, Werkzeugaufnahme, Maschinenspindel und Maschinenbett ist; das hilft, Schwingungen zu vermeiden." Die Vorteile, die das Hartfräsen im Vergleich zum Schleifen mit sich bringt, können sich also sehen lassen. Hartbearbeitung kleiner BohrungenAuch beim Fertigen von Bohrungen mit kleinen Durchmessern und hoher Oberflächengüte hat sich die Hartbearbeitung bewährt. So war die Hartbearbeitung einer Bohrung mit 6 mm Durchmesser mit einer Einschneidenreibahle, bestückt mit CBN-Schneidplatte mit PKD-Leisten mit Leistenschmierung, für gehärteten Stahl mit Härtewerten zwischen 50 und 65 HRC auf einem Bearbeitungszentrum zunächst als Vorbearbeitung zum Honen gedacht. Es zeigte sich jedoch, dass die erreichte Geometrie und Oberfläche eine Nachbearbeitung durch Honen überflüssig macht. Mit Rz-Werten von 0,4 bis 0,7 µm und einer Rundheit von 4 µm über die Standmenge von 750 Bohrungen kann sich das Ergebnis sehen lassen.Beste Ergebnisse wurden auch beim Hartbearbeiten von Bohrungen mit 8 mm Durchmesser auf Drehmaschinen erreicht: 2000 Teile mit einer Schneide, eine Oberflächengüte mit Rz-Werten zwischen 0,4 und 0,6 µm sowie eine Zylindrizität von 2µm.Diese ,,harte Arbeit" setzt die Werkzeuge unter ,,Stress", sie unterliegen sehr hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen, so dass nur angepasste Schneidstoffe eingesetzt werden können. Schneidstoffe und Werkzeuge zur Hartbearbeitung müssen sich deshalb in erster Linie durch eine hohe Warmhärte und Verschleißbeständigkeit auszeichnen, und natürlich ist eine entsprechend angepasste Schneidengeometrie unbedingte Voraussetzung für wirtschaftliches Hartzerspanen. Schneidkeramiken und CBN liegen am oberen Ende der Schneidstoffhärteskala, aber auch Hartmetalle und Cermets sind unter gewissen Randbedingungen geeignet.Zunehmend dringen Ultrafeinkornhartmetalle aufgrund ihrer deutlich gesteigert Härte und Biegefestigkeit sowie der geringeren Wärmeleitfähigkeit in Anwendungsbereiche ein, die bisher Werkzeugen aus kubischem Bornitrid oder eben dem Schleifen vorbehalten waren. Allerdings können die Fein- und Ultrafeinkornhartmetalle ihre volle Leistungsfähigkeit nur mit verschleißfesten Beschichtungen entfalten. Nicht weniger wichtig ist eine entsprechende dynamische Steifigkeit des Gesamtsystems. Das gilt vor allem bei höchsten Qualitätsansprüchen, beispielsweise wenn Nadellagerringe hartgedreht statt geschliffen werden. Erfolgreich abgeschlossen hat der Chemnitzer Drehmaschinenhersteller Niles-Simmons ein Projekt Hartdrehen von Lagerringen. ,,Auch nach hundert Teilen erzielten wir die geforderten Werte", freut sich Marketingleiter Dipl.-Wirt.-Ing. Dirk Pützner über die Ergebnisse hinsichtlich der Langzeitgenauigkeit des Vertikaldrehzentrums NV 20. Die Werte: Oberflächenrauheit Ra = 0,31, Kreisformfehler 2,4 µm, Toleranzabweichung auf Breite = 7 µm und Parallelitätsabweichung der Bohrung 2 µm. ,,Damit die Oberflächenqualität so gut ist wie beim Schleifen, muss eine Rundlauf- und Planlaufgenauigkeit der Arbeitsspindel von 2µm eingehalten werden", so Pfützner. Unabdingbar sind auch digital lineare Messsysteme sowie eine gute Temperaturkompensation der Werkzeuge. Selbst bei Zustellungen im µ-Bereich müssen Stick-Slip-Effekte vermieden werden. Prozesssicherheit beim Schleifen ist besser,,Beim Feinbearbeiten mit den üblichen Toleranzen von IT 5/6 ist die Prozesssicherheit beim Schleifen deutlich besser, und Toleranzen von IT 4 sind nur mit Messsteuerung und mit Ausfunken gegen null gehende Bearbeitungskräfte zu erreichen", setzt Dipl.-Ing. Peter Lütjens, Marketingleiter der Körber Schleifring GmbH in Hamburg, dem Hartdrehen Grenzen. ,,Statt der Alternative ,Drehen oder Schleifen' steht die Kombination ,Drehen und Schleifen' im Mittelpunkt der Technologieentwicklung." Die Schleifmaschinenhersteller ficht das Hartdrehen nicht an. ,,Drehen und Fräsen haben sich nur einen kleinen Teil des Terrains zurückerobert, dass ihnen das Tiefschleifen zu Beginn der 80-iger Jahre weggenommen hat", relativiert Lütjens. Er konstatiert gar einen gegenläufigen Trend: ,,Durch geänderte Rohteilherstellung wie der Near-Netshape-Technik wird das Hartdrehen wieder durch Schleifen ersetzt, weil die Aufmaße zum Drehen zu klein und zu schwankend werden." MM