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Alte Verfahrensgrenzen werden hinfällig

Präzisionszerspanung erhöht Anforderungen an die Werkzeugtechnik
Alte Verfahrensgrenzen werden hinfällig

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Beim Fräsen und Drehen lassen sich heute Strukturen, Flächen und Toleranzen erreichen, die bislang anderen Technologien vorbehalten oder gar nicht möglich waren – ein Zwischenbericht zu Stand und Trends.

Prof. Fritz Klocke leitet die Abteilung Prozesstechnologie am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie in Aachen, Kristian Arntz, Jörgen von Bodenhausen, Jens Helbig und Michael Heselhaus sind dort wissenschaftliche Mitarbeiter

Für die Hart- und Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC) im Werkzeug- und Formenbau werden vor allem Vollhartmetallwerkzeuge eingesetzt. Von Vorteil ist, dass sich ihre Verschleißbeständigkeit über die Beschichtung anpassen lässt. Wird gehärteter Werkzeugstahl bearbeitet, sind dies vorwiegend TiAlN-Schichten, Grafit dagegen wird mit Diamant-Schichten zerspant. Sie mindern den Verschleiß aufgrund des abrasiven Grafitstaubs.
Beim Bearbeiten von Werkzeugstählen jenseits 65 HRC Härte ist die Einsatzgrenze jedoch erreicht. Zwar können neue Hartmetallsorten weiteres Potenzial erschließen, dennoch wird zunehmend kubisches Bornitrid (CBN) für die Werkzeugschneiden verwendet, weil es mit seiner Härte längere Standzeiten möglich macht. Der hohen Schlagempfindlichkeit wegen müssen hier aber sämtliche Prozesse bestmöglich eingestellt werden. Schon kleine Aufmaßschwankungen, wie sie etwa bei ungenügender Restmaterialerkennung im CAM-System auftreten, können zum Versagen führen. Die Aufmerksamkeit gilt daher sowohl der Prozessauslegung als auch der Belastung von Werkzeug und Maschine. Ist dies gesichert, haben HSC und die Hartbearbeitung gute Wachstumschancen.
Weiter zu den Umformwerkzeugen: Sie haben meist einen hohen Anteil rotationssymmetrischer Hartmetallkomponenten, die über das Schleifen mit Diamantschleifscheiben oder per Senkerosion endbearbeitet werden. Beide Verfahren sind jedoch zeit- und kostenaufwendig. Aktuelle Entwicklungen zielen darauf ab, diesen Aufwand zu reduzieren. So konnten durch den Einsatz polykristalliner Diamantwerkzeuge und einer verbesserten Strategie die Produktionszeiten um bis zu 60 % und die Kosten für den gesamten Prozess – trotz höherer Werkzeugkosten – um bis zu 70 % gesenkt werden. Beim nachfolgenden Polierprozess zeigt sich ein weiterer Vorteil des Hartdrehens: Wegen der gleichmäßigen Topografie der Teileoberflächen wurde die geforderte Oberflächenrauheit von Ra u003C 0,03 µm in rund einem Zehntel der vorherigen Polierzeit erreicht. Damit ist das Hartdrehen bei der Endbearbeitung rotationssymmetrischer Hartmetallkomponenten eine attraktive Alternative.
Hochgenau-Werkstücke aus Nichteisen-Metall, Kunststoff und kristallinem Material werden zunehmend auf steifen Ultrapräzisionsdrehmaschinen bearbeitet. Das Verfahren wird dort genutzt, wo komplexe Geometrien bei Formgenauigkeiten im Submikrometerbereich und optischen Oberflächengüten mit Ra-Werten unterhalb von 10 nm gefordert sind. Als Schneidstoff wird hier monokristalliner Diamant eingesetzt.
Dagegen war die Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe wegen des drastischen Werkzeugverschleißes – bedingt durch die hohe Affinität des im Diamant enthaltenen Kohlenstoffs zum Eisen – bislang wenig wirtschaftlich. Mit Ultraschall-unterstützten Diamantwerkzeugen ist die Präzisionszerspanung von Stahlwerkstoff jedoch möglich, und die Werkzeugstandzeiten lassen sich auf diese Weise um den Faktor 50 bis 100 verlängern.
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