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Scharfe Kanten, heiße Schnitte

Hartbearbeitung: Schneidstoff PCBN hat noch grosse Leistungsreserven
Scharfe Kanten, heiße Schnitte

Mit längeren Standzeiten und höheren Schnittgeschwindigkeiten verbessern moderne PCBN-Schneiden die Effizienz der Hartbearbeitung deutlich. Produktivitätssteigerungen von bis zu 50 % sind realistisch – das passende Umfeld vorausgesetzt.

„Wenn alle Prozessparameter zusammenpassen“, sagt Dr. Jochen Kress über die Hartbearbeitung und den Einsatz von polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN), „dann lassen sich verblüffende Ergebnisse erzielen.“ Kress Junior ist seit Januar Mitglied der Geschäftsleitung der Aalener Mapal Dr. Kress KG und verantwortet den Bereich Strategische Produktentwicklung und Vermarktung. Im Rahmen seiner Promotion untersuchte er den Einfluss der Schneidkantenpräparation und des Substrats auf die Standzeit von PCBN-Werkzeugen. Die Ergebnisse erstaunten selbst ihn: „Beim Hartdrehen einer HSK-Aufnahme hielt die beste Kombination neunmal länger durch als die schlechteste.“ Der Grund dafür liege in der großen Vielfalt der Stellgrößen. „Solch extreme Entwicklungsspielräume gibt es bei Hartmetalltools nicht.“ Das mag auch erklären, weshalb bei dem seit über 30 Jahren bekannten Schneidstoff PCBN die Produktivitätsreserven noch längst nicht ausgeschöpft sind. Der Ingenieur ergänzt: „Wenn alle Parameter sauber aufeinander abgestimmt sind, können bislang unwirtschaftliche Operationen plötzlich hochgradig effizient sein.“

Einfach nur die Werkzeuge auszutauschen, ansonsten aber mit dem vorhandenen Fertigungsequipment zu experimentieren, das funktioniere jedoch nicht, sagt Kristian Arntz. Auch der Geschäftsfeldleiter des Bereichs Aachener Werkzeug- und Formenbau am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie (IPT) betont: „Nur wenn der gesamte Prozess stimmt, lassen sich wirkliche Fortschritte erzielen.“ Sowohl für Arntz als auch für Kress ist ein sehr steifes und schwingungsarmes System aus Maschine, Werkzeug, Spanntechnik und Werkstück die Grundvoraussetzung für eine funktionierende Hartzerspanung. Neben der Fertigungs-Hardware hat auch die Prozessführung und die Bearbeitungsstrategie erheblichen Einfluss auf den Erfolg. „Schon die Art, wie das Werkzeug ins Material eintaucht, und die Schnittaufteilung bestimmen das Ergebnis mit“, beschreibt Arntz.
Obwohl die Technologie nicht mehr ganz jung ist, rechnet Frank Fischer noch mit massiven Leistungsreserven: „Der Prozess ist zwar bei einer breiten Anwenderschaft etabliert, aber viele setzen ihn in der Praxis nicht konsequent genug um.“ Der Gruppenleiter Hartbearbeitung bei Sandvik Coromant in Düsseldorf schätzt, dass sich allein durch Optimieren der Prozesse die Produktivität um bis zu 50 % steigern lässt. Dazu sei es aber unerlässlich, die Werkzeuge im richtigen Arbeitsumfeld zu betreiben. Die erforderlichen stabilen Werkzeugmaschinen sind zwar auf dem Markt erhältlich, aber noch nicht in allen Betrieben vorhanden. Und auch bei den Werkzeug- und Werkstückaufnahmen wird oft mit den im Bestand befindlichen Produkten gearbeitet. Sind sie ungeeignet, zwingen Mikro-Vibrationen und Schwingungen sowohl die Arbeitsqualität als auch die Lebensdauer von PCBN-Werkzeugen schnell in die Knie. „PCBN braucht stabile Verhältnisse und moderate Schnittgeschwindigkeiten, um seine Stärken voll ausspielen zu können.“ Um in Werkstoffen mit einer Härte bis 64 HRC typische Oberflächengüten von Rz = 6,3 µm zu erzielen, empfiehlt Sandvik beispielsweise seine so genannte Wiper-Geometrie WH und einen Vorschub f von 0,25 mm bei 160 m/min. „Wir verdienen für unsere Kunden Geld, indem wir hohe Vorschübe realisieren, die gleichzeitig die Hauptzeiten verkürzen und lange Standzeiten ermöglichen“, erzählt Fischer und ergänzt: „Auch verschleißfeste PCBN-Sorten wie unsere CB7015 unterliegen dem Kolkverschleiß – daher ist eine hohe Schnittgeschwindigkeit beim Streben nach kurzen Bearbeitungszeiten erst die zweite Wahl, nach einer Vorschuberhöhung.“
Weil sich Schwingungen vielfach doch nicht ganz eliminieren lassen, optimieren die Werkzeughersteller ihre Produkte für anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben, etwa unterbrochene Schnitte oder labile Werkstücke. Mapal beispielsweise hat ein Hartdreh-Programm entwickelt, das PCBN-Schneideinsätze sowie stabile Werkzeugaufnahmen und Spannsysteme umfasst und durch seinen steifen Aufbau, eine optimierte Kräfteverteilung und leistungsfähige Beschichtungen den Einfluss von Vibrationen reduziert. Dadurch soll sich die Schneidkante besser ausnutzen lassen. Zudem widersteht die speziell geformte Spannpratze den hohen Beanspruchungen durch ablaufende Späne besser. Beides zusammen erlaubte es den Schwaben, die Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten nach oben zu erweitern. Ein Anwendungsbeispiel verdeutlicht das Potenzial der Werkzeuge: An einem Allrad-Wellenflansch aus 38MnVS5 – zwischen 50 und 55 HRC hart – mussten die Lagersitze sowie der Übergang zur Planfläche bearbeitet werden. Zunächst setzte der Kunde für diese Operationen einschneidige Wendeplatten und Drehhalter mit VDI-Schnittstelle ein. Das Vor- und Fertigbearbeiten mit je einem Werkzeug dauerte 82 s. Mit den PCBN-Tools und einer Schnittgeschwindigkeit von 200 m/min sowie einem Vorschub von 0,424 m/min konnte die Taktzeit um 27 % auf 60 s gesenkt werden. Außerdem stiegen die Produktionssicherheit und die Standzeit der Werkzeuge – letztere um Faktor vier.
Noch extremer als etwa beim Hartmetall beeinflusst das Paket aus Substrat, Schneidengeometrie und Beschichtung das Leistungsvermögen von PCBN-Werkzeugen. „Wenn diese Faktoren harmonieren, dann sind gegenüber unbeschichteten Schneideinsätzen Standzeitverbesserungen um bis zu Faktor drei möglich“, sagt Hubert Kratz. Er ist bei der Seco Tools GmbH in Erkrath im Technischen Produktmanagement für den Bereich PCBN verantwortlich. Der Diplomingenieur nennt zwei wesentliche Gründe dafür, den nach Diamant zweithärtesten Schneidstoff mit viel weicheren Schichten zu schützen: „Neben dem klassischen Verschleiß durch Abrasion kommt es bei den hohen Arbeitstemperaturen von über 1000 °C auch zu einem chemischen Verschleiß. Die PCBN-Körner reagieren mit dem Werkstückmaterial und werden dabei aus der Bindematrix herausgelöst.“ Schichten aus Siliziumnitrid (SiN) oder Titansiliziumnitrid (Ti,Si)N verbessern die chemische Stabilität und wirken sich damit positiv auf die Standzeit aus. Der zweite Aspekt sei eine verbesserte Maßhaltigkeit bei Teilen mit hohen Präzisionsanforderungen. „Die Schichten haben eine deutlich bessere Wärmeleitfähigkeit als der eigentliche Schneidstoff. Deshalb führen sie die entstehende Hitze schneller ab und verhindern, dass sich die Schneide ausdehnt.“
Dass sich die Leistungsfähigkeit von PCBN-Schneiden durch Schutzschichten deutlich steigern lässt, bestätigt auch Dr. Frank Barthelmä. Der Geschäftsführer der Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.V. (GFE) berichtet über Ergebnisse neuester Untersuchungen an seinem Institut, die Standzeitverbesserungen um bis zu 50 % nachweisen. Der Wissenschaftler betont, dass der Vergleich auf einem hartbearbeitungsgerechten Prozess fuße, also auf einer guten Basis. Entscheidend sei jedoch, dass die Beschichtung fest und haltbar mit dem Schneidstoff verbunden ist. Um das zu erreichen, wird eine Zwischenschicht eingearbeitet. „Die besten Ergebnisse erzielten wir mit so genannten Gradientenschichten, die durch einen kontinuierlichen Übergang zwischen Schutz- und Haftschicht sowie zwischen Haftschicht und Substrat gekennzeichnet sind.“ Damit sich diese Schichten mit dem Bornitrid verbinden könnten, müsse jedoch die Mikrostruktur der Schneide entsprechend vorbehandelt werden.
Hubert Kratz bestätigt, dass die Entwicklung einer haftfähigen Schicht anfangs Probleme bereitete. Die erste Generation habe vor allem als Indikator gedient, der zeigte, welche Schneide bereits Späne erzeugt hatte. „An der richtigen Vorbehandlung wurde lange gearbeitet, aber mittlerweile halten die Schichten.“
Seco bietet die PCBN-Schneidplatten der Secomax-Reihe mit einer (Ti,Si)N-Schicht an, die deutlich härter ist als das TiAlN-Pendant. Neben den längeren Standzeiten tragen auch die höheren Schnittgeschwindigkeiten zu mehr Produktivität bei. Hielt unbeschichtetes PCBN beim klassischen Hart-Schlichten zwischen 160 und 180 m/min aus, so verkraften die heutigen, beschichteten Sorten laut Kratz weit über 200 m/min. Oberflächengüten mit Rz < 3 µm seien prozesssicher zu erreichen, mit einer arbeitsscharfen Platte lägen sogar Werte um 1 µm im Bereich des Möglichen. Die Tools eignen sich hauptsächlich für drei Werkstoffgruppen: gehärtete Stähle, perlitischen Grauguss und Hartguss. Aber auch bei verschiedenen Sinterwerkstoffen hat PCBN seine Möglichkeiten bereits demonstriert – der feinkörnigen Karbid-Einlagerungen wegen, die bei Hartmetall-Tools sehr abrasiv wirken.
„In Sachen Standmenge erreichen PCBN-Schneidstoffe inzwischen sehr vernünftige Werte“, sagt Kratz. Deshalb zielen die Entwicklungen derzeit vor allem dahin, die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse weiter zu verbessern. Außerdem arbeiten die Ingenieure an Schneidengeometrien mit gelaserter Spanleitstufe, die den Spanbruch verbessern soll. „Dadurch lassen sich mit diesen Werkzeugen auch Hart-Weich-Übergänge bis runter auf etwa 35 HRC prozesssicher zerspanen.“ Waren bisher harte Werkstoffe bis etwa 65 HRC die Domäne von PCBN-Tools, könnte deren Einsatzspektrum dadurch deutlich erweitert werden. Unbeschichtete Sorten scheiterten in weichen Werkstoffen am erhöhten chemischen Verschleiß, der das Bornitrid aus der Bindematrix löst. „Die Beschichtung schützt den Schneidstoff vor diesem tribochemischen Verschleiß, reduziert zugleich die Reibung und erleichtert so den Späneabfluss“, erläutert Kratz. Das wiederum reduziere die Neigung des Stahls, an der Schneide anzuhaften und damit die Gefahr von Ausbrüchen.
Entwicklungen dieser Art könnten auch Prozesse vereinfachen, die derzeit noch echte Herausforderungen darstellen – das Bearbeiten von Teilen, die sowohl harte als auch weiche Zonen haben. „In der Praxis gibt es mehr Fälle solcher Zonenübergange als man zunächst vermuten würde“, sagt GFE-Chef Barthelmä. „Deshalb rate ich Anwendern, genau zu untersuchen, ob es sich bei ihrem Aufgabenspektrum tatsächlich um reine Hart- oder reine Weichprozesse handelt.“ Eine Reihe von Zerspanoperationen, die bislang als schwierig oder nicht wirtschaftlich mit geometrisch bestimmter Schneide durchführbar galten, seien letztlich an nicht erkannten Zonenübergängen – und der dafür nicht geeigneten Prozessauslegung – gescheitert. Barthelmä geht jedoch aufgrund der Forschungsergebnisse davon aus, dass sich mit optimierten PCBN-Schneiden nicht nur bei der reinen Hartbearbeitung deutliche Fortschritte erzielen lassen, sondern auch bei den kritischen Hart-Weich-Übergängen. „Bei der Auswahl des Werkzeugs und der Prozessführung hat die Art des Zonenübergangs einen wesentlichen Einfluss.“ Es mache einen Unterschied, ob das Werkzeug durch eine harte Deckschicht ins weiche Grundmaterial eintaucht, beim Überfräsen einer Fläche einen abrupten Zonenübergang verkraften muss, oder ob sich die Härte bei Gradientenwerkstoffen allmählich ändert. „In Anbetracht des zunehmenden Bearbeitungsspektrums partiell oder Randschicht gehärteter Bauteile muss das Werkzeug diesem Belastungsprofil individuell angepasst werden“, ergänzt der Forscher.
Neben dem klassischen Hartdrehen wächst der Anteil der PCBN-bestückten Werkzeuge fürs Fräsen. Einsatzfelder finden sich vor allem im Werkzeug- und Formenbau, aber auch in der Teilefertigung unter anderem für die Automobilindustrie. Anwendungsbeispiele sind hier homokinetische Gelenke für den Antrieb von frontgetriebenen Pkw oder Hochdruckeinspritzpumpen.
Die Leistungsreserven von PCBN möglichst weitgehend auszuschöpfen, gelingt vielfach jedoch nur, wenn man die Werkzeuge gezielt auf die jeweilige Anwendung zuschneidet. Das erfordert einen hohen Engineering-Aufwand und hat zur Folge, dass die Tools nur noch spezifisch eingesetzt werden können. Frank Fischer von Sandvik glaubt dennoch nicht, dass sich das Hartzerspanen zu einer Spezialistendisziplin entwickelt. „Feinbearbeitungsprozesse sind immer mit engen Toleranzen und gewissenhaftem Arbeiten verbunden. Aber sowohl die Werkzeug- als auch die Maschinenhersteller stehen ihren Rat suchenden Kunden jederzeit bei.“ Und Kristian Arntz vom Fraunhofer-IPT betont: „Um die wirtschaftlichste Lösung zu finden, muss man die gesamte Prozesskette betrachten und genau untersuchen, welche Abfolge von Operationen zu den geringsten Stückkosten führt.“ Dabei dürften andere Verfahren wie das Schleifen oder das Erodieren nicht unberücksichtigt bleiben.
Optimierte PCBN-Tools meistern Zonenübergänge

Kosteneffizienz
Die Hartbearbeitung birgt noch einiges Potenzial, die Fertigungskosten vieler Teile deutlich zu reduzieren. Bessere Arbeitsqualitäten, Schneidleistungen und Standzeiten von PCBN-Werkzeugen werden künftig Bearbeitungen ermöglichen, die bislang mit geometrisch bestimmter Schneiden als unwirtschaftlich oder gar technisch nicht machbar galten. Die Voraussetzung ist allerdings, dass alle Prozesselemente optimal aufeinander abgestimmt sind.

Wenn´s mal richtig hart kommt

So genannte Advanced Materials – ausgehärtete Keramiken etwa, optisches Glas oder andere Hartstoffe – lassen sich mit der Ultrasonic-Technologie bearbeiten. Was mit dem Ultraschall-unterstützten Schleifen möglich ist, zeigt ein Beispiel der Mack GmbH & Co. KG. Im Auftrag eines Automobilzulieferers fertigten die Dornstädter Spezial-Glasformen für die Lackgießtechnik. Mit dem Verfahren werden Echtholz-Zierleisten für den Innenraum von Premium-Pkw veredelt. Dabei wird der Lack in den Spalt zwischen Form und Zierleiste dosiert und anschließend mittels UV-Strahlung durch die Glasform ausgehärtet. Die glänzende Oberfläche des Holzteils muss nicht mehr nachbearbeitet werden. Mit der Ultrasonic-Technologie von DMG lassen sich beliebige 3D-Freiformflächen mit hoher Präzision und Oberflächengüte erzeugen. Zu den bearbeitbaren Härtegraden sagt Geschäftsführer Alexander Mack: „Wir beginnen dort, wo Hartzerspaner aufhören müssen.“

Problemlöser Hochdruck

Bei schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen, die lange Wickelspäne bilden, ist CoroTurn HP in seinem Element. Das Schneidkopfprogramm mit Hochdruck-Kühlschmierstoff-Zuführung sorgt für einen kontrollierten Spänebruch. Laut Hersteller Sandvik ist dadurch eine sichere und problemlose Bearbeitung aller Werkstückstoffe möglich – auch in mannloser Fertigung. Beim Schruppen schwieriger Materialien sollen bis zu 30 % höhere Schnittgeschwindigkeiten sowie eine um bis zu 50 % längere Standzeit der Werkzeuge möglich sein. Durch die parallel angeordneten Düsen wird der Schmierstoffstrahl mit einem Druck von 70 bis 80 bar unter den sich bildenden Span gelenkt. Der Strahl erzeugt dabei einen hydraulischen Keil, der den Span anhebt und eine geringere Temperatur sowie eine bessere Spankontrolle zur Folge hat.
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