Vollkeramische Fräswerkzeuge prozesssicher einsetzen

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Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

Die Leistungsfähigkeit moderner keramischer Schneidstoffe in diese Anwendungsbereiche zu übertragen, ist ein Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer-Instituts für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK) in Berlin. Bereits im Jahr 2006 wurden erste prototypische Fräswerkzeuge aus Keramik im Projekt „Cercut“ der Fraunhofer-Allianz Hochleistungskeramik hergestellt. Diese Werkzeuge wurden in exemplarischen Anwendungen erfolgreich erprobt. Aus der sehr positiven Resonanz von Werkzeugherstellern und Anwendern ergab sich das Bestreben, mit einem breit aufgestellten Konsortium die begonnene Entwicklungsarbeit weiterzuführen.

Entwicklung vollkeramischer Zerspanungswerkzeuge wird forciert

Im Januar 2008 wurde das Inno-Net-Projekt „Technologie zur Herstellung vollkeramischer Schaftwerkzeuge (Tech-Volk)“ begonnen. Seitdem wird intensiv an der Entwicklung vollkeramischer Fräswerkzeuge mit applikationsangepasster Schneidengeometrie gearbeitet.

Die verschiedenen Kompetenzen und Arbeitsschwerpunkte der Projektpartner ermöglichen die ganzheitliche Betrachtung der Prozesskette. Von der Herstellung der keramischen Rohlinge über die Verarbeitung zu Werkzeugen durch angepasste Schleifwerkzeuge und Schleifstrategien bis hin zum Einsatz auf modernen HSC-Bearbeitungszentren an konkreten Bauteilen. Das Spektrum der Werkstückwerkstoffe umfasst sowohl Nickel-Basis-Schmiedelegierungen wie Nimonic 90 als auch hoch entwickelte vergossene Legierungen wie MAR M247.

HSC-Fräsen stellt hohe Anforderungen an den Schneidstoff

Um den komplexen Belastungszuständen eines HSC-Fräsprozesses standzuhalten, muss ein Schneidstoff besonderen Anforderungen genügen. Es treten durch den unterbrochenen Schnitt hohe Lastwechsel und Temperaturschwankungen an der Schneidkante auf.

In der Zeitspanne, in der die Schneide nicht im Eingriff ist, kühlt die Oberfläche stärker ab als der Kern. Durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung entstehen Zugspannungen im Randbereich, die eine Ausbildung von Rissen begünstigen.

Keramik besonders anfällig für Risse durch Abkühlung

Keramik weist eine erhöhte Empfindlichkeit gegen Zugspannungen auf und ist deswegen besonders anfällig für diesen Mechanismus. Trockenbearbeitung ist für diesen Schneidstoff zwingend notwendig, da Kühlschmierung die Abkühlung verstärkt und sich somit zusätzlich negativ auf das Standverhalten auswirkt.

Mit Siliziumcarbid-Whiskern verstärktes Al2O3 und SiAlON besitzen aufgrund ihrer Zusammensetzungen und ihres Gefügeaufbaus Eigenschaften, die die Rissausbreitung behindern und die Bruchzähigkeit erhöhen. Als Wendeschneidplatten werden diese beiden Schneidkeramiken bereits angeboten und haben sich auf dem Markt bewährt.

Gradierte Keramiken als Schneidstoff für das HSC-Fräsen vielversprechend

Eine vielversprechende Weiterentwicklung ist die Herstellung von sogenannten gradierten Keramiken. Dabei werden durch Nachbehandeln die Festigkeitseigenschaften des Werkstoffs gezielt verändert. Es kann – wie beim Stahl durch Härten – eine verschleißfeste Randzone und ein bruchzäher Kernbereich hergestellt werden.

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