Präzisionswerkzeuge Werkzeuge bearbeiten auch ganz schwierige Werkstoffe

Autor / Redakteur: Klaus Vollrath / Mag. Victoria Sonnenberg

Moderne Hochleistungsprodukte erfordern den Einsatz entsprechend anspruchsvoller Werkstoffe. Deren Bearbeitung stellt besondere Anforderungen an die Eigenschaften der dafür eingesetzten Werkzeuge. Mit Lösungen „von der Stange“ kommt man dabei nicht weit. Stattdessen ist intensive Entwicklungsarbeit gefragt. Dabei müssen sowohl Werkzeugkonstruktion als auch Schneidstoffe und Beschichtungen optimiert werden. Wir stellen Ihnen Werkzeuglösungen für gehärtete Werkzeugstähle, Titan sowie CFK-Verbundwerkstoffe vor.

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Vierschneidiger VHM-Schaftfräser MultiEgge 4Feed HSC von LMT Fette mit 10 mm Ø beim Fräsen von Werkzeugstahl mit 58 HRC. Die nanostrukturierte Beschichtung verträgt um 200 °C höhere Zerspanungstemperaturen als herkömmliche Schichten, die Standzeit konnte um 50 % erhöht werden.
Vierschneidiger VHM-Schaftfräser MultiEgge 4Feed HSC von LMT Fette mit 10 mm Ø beim Fräsen von Werkzeugstahl mit 58 HRC. Die nanostrukturierte Beschichtung verträgt um 200 °C höhere Zerspanungstemperaturen als herkömmliche Schichten, die Standzeit konnte um 50 % erhöht werden.
(Bild: LMT Group)

Im Bereich industrieller Fertigungsprozesse geht der Trend zur vermehrten Verwendung von schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen mit entsprechend höherer Belastung der Werkzeuge“, sagt Dr. Diethard Thomas, Consultant der LMT Group in Oberkochen. Heute werden in viel höherem Maße bearbeitungsschwierige Werkstoffe eingesetzt als früher. Besondere Herausforderungen ergeben sich unter anderem bei der Bearbeitung von Stählen mit höherer bis sehr hoher Härte bis hinauf zu 68 HRC, bei Titanwerkstoffen sowie bei Verbundwerkstoffen, vor allem bei den für Hightech-Anwendungen immer beliebteren Carbonfaser-Verbundwerkstoffen (CFK). Zu den Herausforderungen zählen aber auch die zunehmend eingesetzten Edelstähle aufgrund ihrer sehr ungünstigen Spanbildung.

Optimierte Bearbeitungsstrategien spielen eine wichtige Rolle

Höher- und hochfeste Werkstoffe bedingen höhere Zerspankräfte mit entsprechend stärkerer Belastung der Schneiden sowie einer entsprechend gesteigerten Wärmeentwicklung. Allein durch Verbesserung der Werkstoffeigenschaften der Schnittwerkzeuge ist dies nicht aufzufangen: Erforderlich ist vielmehr ein intelligenter Mix aus angepasster Werkzeugkonstruktion, widerstandsfähigeren Schneidstoffen und maßgeschneiderten Beschichtungen. Eine wesentliche Rolle spielen darüber hinaus auch optimierte Bearbeitungsstrategien wie das Trochoidalfräsen.

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Beim Fräsen hochfester Werkstoffe wird generell auf reduzierte Spanwinkel sowie eine angepasste Schneidkantenpräparation gesetzt. Mit Letzterer wird versucht, die Stabilität der Schneiden zu erhöhen. Eine weitere konstruktive Maßnahme sind Ecken mit größeren Radien, weil die mechanische und thermische Belastung an den Ecken der Schneiden am größten ist. Deshalb würde eine zu scharfkantige Ausbildung zu vorzeitigem Verschleiß führen. Hinsichtlich der Schneidstoffsorten sind Feinstkornhartmetalle mit hoher Warmhärte der Gruppe K zu wählen, sofern es sich um stabile Maschinenverhältnisse handelt. Anderenfalls ist eine P-Qualität vorteilhafter. Geeignete Beschichtungen zeichnen sich außer durch hohe Härte ebenfalls durch hohe Warmhärte aus. Die Schnittwerte sind gegenüber weniger festen Werkstoffen zu reduzieren, die Zahnvorschübe je nach Anwendungsfall um bis etwa 20 %.

CFK fordern Hersteller von Präzisionswerkzeugen besonders heraus

Als Herausforderung für den Werkzeughersteller erweisen sich auch Composite-Werkstoffe mit ihren inhomogenen Materialstrukturen. Beim Vernieten von Strukturbauteilen aus CFK in Kombination mit zum Beispiel Aluminium zu sogenannten Stacks müssen die Platten gebohrt, gerieben und gefast werden. Dazu waren bisher drei Arbeitsgänge mit bis zu drei verschiedenen Werkzeugen erforderlich. LMT Berlin entwickelte dafür jetzt ein Werkzeug, das diese drei Arbeitsgänge in einem ausführt. Dieser mit PKD-Schneiden bestückte „One-Shot-Drill“ zeichnet sich durch prozesssichere Multifunktionalität aus und vermeidet Ausbrüche, Gratbildung und Delamination. Erzielt wurde eine Einsparung von 58 % beim Einbringen von 1000 toleranzhaltigen Bohrungen in CFK unter Berücksichtigung von Werkzeugwechselzeiten.

„Bei der Entwicklung von Werkzeugen für moderne, schwer zu bearbeitende Hochleistungswerkstoffe geht es vor allem um Fleißarbeit“, erläutert Norbert Reiche, Produktmanager bei ZCC Cutting Tools Europe, Düsseldorf. Dabei gibt es keine „Wunderlösungen“. Stattdessen kommt es auf zähe, partnerschaftlich vorangetriebene Optimierung an Details an, wie Zusammensetzung des Schneidwerkstoffs, Art und Aufbau der Beschichtung sowie Geometrie und Anordnung der Schneiden. Dabei arbeitet man eng mit dem Kunden, den Hartmetallspezialisten im Mutterwerk, den Beschichtern sowie dem Applikationslabor in Düsseldorf zusammen. Die Entwicklung erfolgt weitgehend in Deutschland, beispielsweise im ziemlich entscheidenden Bereich der Beschichtungen.

Vermeiden von Delamination ist die Herausforderung beim CFK-Fräsen

Zu den besonderen Herausforderungen beim Fräsen von CFK zählt die Vermeidung von Delamination, das heißt dem teilweisen Herausreißen von Fasern aus dem Verbund. Dabei spielt die Geometrie der Schneiden eine wesentliche Rolle. Der Versuch, einfach nur Werkzeuggeometrien aus dem Durchmesserbereich von 6 mm und mehr auf kleinere Abmessungen herunterzuskalieren, führt unweigerlich in eine Sackgasse. In diesem Bereich verfügt ZCC-CT über spezielles Know-how bei selbst entwickelten VHM-Mikrofräsern mit Durchmessern bis herab zu 0,8 mm.

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Diese kommen unter anderem bei der Bearbeitung von CFK-Bauteilen für Premiumfahrzeuge sowie im Rennsport zum Einsatz. Eine wichtige Rolle spielt dabei auch die Entwicklung besonders leistungsfähiger Hartmetalllegierungen, welche eine optimale Haftfestigkeit der Diamantbeschichtung ermöglichen. Dies hat entscheidenden Einfluss auf die Schneidhaltigkeit.

Intensive Entwicklungsarbeit leistet ZCC Cutting Tools auch im Bereich der Bearbeitung von Titanwerkstoffen zum Beispiel für die Luft- und Raumfahrt. Titanlegierungen neigen zur Kaltverfestigung und zur Bildung langer Späne, die außerdem auch noch verkleben können. Die Kaltverfestigung kann dazu führen, dass die Werkzeuge schnell stumpf werden. Zudem kann die für Titan typische Kombination von Elastizität und Festigkeit insbesondere beim Gewindeschneiden ein „Festfressen“ des Werkzeugs bewirken.

Härte der Werkzeuge muss der Härte des Werkstoffs angemessen sein

Bei der Bearbeitung kommt es auf scharfe Werkzeuge, geeignete Eckenradien, die richtige Härte und den richtigen Vorschub an. Dabei muss die Härte der Werkzeuge der Härte des Werkstoffs angemessen sein. Zusammen mit einem Kunden und einem führenden Beschichter arbeitet man bei ZCC-CT aktuell an der Entwicklung verbesserter Werkzeuge für ein sehr filigranes Bauteil, das mit hohem Zerspanungsvolumen „aus dem Vollen“ gefräst wird. Die Entwicklung der Form und der Schneidengeometrie erfolgt durch ZCC-CT, die Beschichtung durch ein auf diesem Gebiet sehr bekanntes deutsches Unternehmen, die Versuche führt dann der Kunde durch. Nach einem ersten Fehlschlag wurden mit einem siebenschneidigen Werkzeug inzwischen akzeptable Ergebnisse erzielt, von einer jetzt nochmals verbesserten Geometrie erhofft man sich den entscheidenden Durchbruch.

Bei der Bearbeitung von Titan-Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt ist oft ein hohes Zerspanungsvolumen erforderlich. Die Abtragsraten werden dadurch zu einem wichtigen Wettbewerbsfaktor. Andererseits sind bei der Bearbeitung von Titan erhebliche Herausforderungen zu meistern. Es gibt eine große Bandbreite unterschiedlicher Titanlegierungen, die auch bezüglich ihrer Bearbeitbarkeit große Unterschiede aufweisen – vom traditionellen Ti6Al4V bis zu Legierungen mit höherer Festigkeit wie dem Ti10-2-3 oder Ti5553. Auch Ceratizit ist ein Experte auf diesem Gebiet. Der Zerspaner aus Luxemburg bietet eine pulvermetallurgische und anwendungstechnische Bearbeitungskompetenz – egal ob es sich um hoch legierte Stähle für Turbinenschaufeln, hochwarmfeste Werkstoffe oder Titanlegierungen handelt.

Titan hat eine vergleichsweise schlechte thermische Leitfähigkeit mit der Folge eines erhöhten Verschleißrisikos bei den Werkzeugen, weil diese stärker thermisch belastet werden. Ein weiterer Faktor ist die Neigung des Titans zum Schmieren. Dadurch verschweißt der Span örtlich mit der Wendeschneidplatte und verbackt beim erneuten Eingriff mit der Schneidkante.

Für die unterschiedlichen Bearbeitungsaufgaben wurden jeweils entsprechende Werkzeugtypen entwickelt. Wendeschneidplatten-Fräser beweisen höchste Effizienz beim Abtragen großer Materialmengen und sind beim Schruppen in der Regel die erste Wahl. VHM-Fräser bieten sich vor allem für Halbschlicht- und Schlichtarbeitsgänge an. Ihre Domäne sind natürlich auch solche Aufgaben, wo Radien, Kavitäten und Schlitze so eng sind, dass der Einsatz von Wendeschneidplatten-Werkzeugen nicht infrage kommt. Zu ihren Vorteilen gehören die hohe Zahl von Spannuten sowie hohe axiale Abtragsraten.

Gesicherte Abfuhr der Späne entscheidet über den Prozessverlauf

Mapal hat für die herausfordernde Bearbeitung von Integral- und Strukturbauteilen aus Titan einen innovativen Walzenstirnfräser mit ISO-Wendeschneidplatten entwickelt. Unterschiedliche Schneidplattengrößen der einzelnen Zahnreihen sorgen für eine hohe Performance des neuen Fräsers, teilt Mapal mit. Die Schneidplatten sind radial eingebaut. „Durch die Duktilität des Materials erfahren die Platten eine deutlich höhere Belastung als beispielsweise bei der Bearbeitung von Guss. Der radiale Einbau unterstützt die Schneidplatte bei der Aufnahme dieser Belastungen“, verdeutlicht Axel Fleischer, der die Entwicklung des Fräsers als verantwortlicher Senior-Projektmanager betreute. Er ergänzt: „Neben den Schneiden und deren optimaler Einbaulage spielte der Grundkörper des Fräsers bei der Entwicklung eine entscheidende Rolle.“ Die Wahl eines speziellen Werkzeugstahls, der gehärtet und vernickelt wird, erwies sich als bedeutender Faktor für die Funktion des Grundkörpers.

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Die innere Kühlmittelversorgung wurde dahingehend optimiert, dass jede Schneide separat mit Kühlmittel versorgt wird. Die optimal ausgelegte Kühlmittelzufuhr stellt, so Mapal weiter, gemeinsam mit den großen, polierten Spanräumen die prozesssichere Abfuhr der Späne sicher. Die Spanraumgestaltung kristallisierte sich während der Werkzeugentwicklung zwar als sehr aufwendiges, aber für den Erfolg des Fräsers überaus wichtiges Kriterium heraus. Denn bei den hohen Zerspanraten ist die einwandfreie Spanabfuhr für die Prozesssicherheit entscheidend. „Zahlreiche Versuche waren nötig“, resümiert Dietmar Maichel, Entwicklungsingenieur bei Mapal.

Wie gut die einzelnen Optimierungen im Zusammenspiel funktionieren, zeigen erste Versuche in der Praxis. „Ein Kunde aus der Luftfahrtindustrie ist sehr zufrieden mit den erreichten Werten des neuen Mapal-Fräsers für die Titanbearbeitung“, erklärt Jens Ilg, verantwortlicher Projektingenieur bei dem Aalener Unternehmen. Zum Bearbeiten eines Bauteils aus einer Titanlegierung TiAl6V4 sind zwei der neuen Fräser mit Durchmessern von 50 mm (Z = 4) und 63 mm (Z = 5) im Einsatz, bei Schnitttiefen von bis zu 30 mm und einem Vorschub pro Zahn von 0,15 mm im Vollschnitt.

CFK: Werkzeuge für von Hand ausgeführte Bohrbearbeitungen

Im Bereich der Luft- und Raumfahrt wird rund ein Drittel der in Verbundwerkstoffen durchgeführten Bohrungen für Nieten und Bolzen mit handgeführten Werkzeugen vorgenommen. Beim Werkzeugdesign kommt es daher insbesondere darauf an, die unvermeidlichen Positionier- und Stabilitätsbeeinträchtigungen handgeführter Werkzeuge zu kompensieren. Vor allem dann, wenn es zu seitlichen Kräften durch Verkeilen des Werkzeugs kommt oder ein hoher vertikaler Kraftaufwand erforderlich wird, werden Bohrungsqualität, Produktivität und Konzentrationsfähigkeit der Mitarbeiter nachteilig beeinflusst. Zudem kann es gerade beim Durchbruch des Werkzeugs zu Gratbildung, Ausbrüchen und Delamination an der Bohrlochunterseite kommen. Oft sind dann auch die Fasern beschädigt statt sauber durchgeschnitten. Typische Anforderungen an die Bohrlöcher sind eine Rauigkeit Ra < 4,8 µm, eine Delamination von < 1 mm über den Umfang und keine Absplitterungen. Bei Plattierung mit Metall liegen die Rauigkeitsanforderungen bei Ra < 3,2 µm (< 1,6 µm im metallischen Bereich). Lochtoleranzen variieren zwischen ±0,02 bis 0,04 mm, wobei der CFK-Bereich keine Beschädigungen durch Späne aufweisen darf.

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