Hart-, Hochgeschwindigkeits- und Trockenbearbeitung, Hochleistungs- und Mikrozerspanung: Prof. Fritz Klocke erläutert die Bereiche, in denen Hersteller und Institute intensiv forschen.
Prof. Fritz Klocke ist Inhaber des Lehrstuhls für Technologie der Fertigungsverfahren am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH Aachen
Hochleistungszerspanung bedeutet, dass die Zeitspanvolumina über höhere Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe gesteigert werden. Die Schneidstoffe sind hier insbesondere in ihrer Warmfestigkeit gefordert. Innovationstreiber sind nach wie vor die Beschichtungen. So werden für die Zerspanung hochwarmfesten Materials wie Inconel die Härte, Temperaturstabilität und Gleiteigenschaft der Hartmetallwerkzeuge weiterentwickelt und auf die hohe thermische Belastung abgestimmt. Schichtsysteme, die auf Titan-Aluminium-Nitriden basieren, stöchiometrisch jedoch anders zusammengesetzt sind als TiAlN, stehen kurz vor der Marktreife. Durch neue Beschichtungsverfahren lassen sie sich in weit variierbaren Zusammensetzungen abscheiden und gegebenen Aufgaben anpassen. Weitere Ansätze bieten die Kombination konventioneller Titan-Nitrid-Schichten mit CBN-Partikeln sowie Dia- mantschichten. Sie werden immer häufiger zur Bearbeitung von Leichtmetall, aber auch Graphit verwendet.
Vergütete und gehärtete Werkstoffe sowie Guss fordern die Schneiden mechanisch und thermisch extrem und schränken damit die Schnittbedingungen und einsetzbaren Schneidstoffe ein. Hartbearbeitung ist derzeit von 64 bis 67 HRC möglich. Neue Feinst- und Ultrafeinstkornhartmetalle sowie angepasste Beschichtungen haben den Einsatzbereich jedoch erweitert. So führt Wolframkarbid-Pulver mit Korngrößen von 0,5 bis 0,8 µm zu homogenen, zähen Gefügen, die ermüdungsfest und beständig gegen Thermoschocks sind. Extremen Temperaturen halten sie allerdings nur mit Beschichtungen stand, die ebenso hart wie verschleiß- und korrosionsbeständig sind. Aussichtsreiche Ergebnisse wurden mit TiAlN und TiAlCN erzielt. Ihre geringe Wärmeleitfähigkeit unterstützt die Wärmeabfuhr über den Span, wodurch ein Überschreiten der Warmfestigkeitsgrenze verhindert wird. Schichtsysteme aus Supernitriden lassen einen weiteren Leistungsschub erwarten. Sie vereinen die guten mechanischen Eigenschaften von Nitridschichten mit der hohen chemischen Stabilität der Oxide.
Feinstkörnige, binderfreie CBN-Schneidstoffe sind thermisch äußerst leitfähig, wärme- und thermoschockbeständig und machen Geschwindigkeiten bis 2000 m/min in der Hartzerspanung möglich. Auch den Einsatz im unterbrochenen Schnitt ist möglich. Beim Fräsen von Grauguss fallen thermisch bedingte Risse und Mikroausbrö- ckelungen an der Schneidkante weitgehend weg. Im Vergleich zu konventionellem CBN steigen die Werkzeugstandzeiten bis zum Zehnfachen.
Beschichtete Mikrotools spanen zwischen 50 und 100 µm Durchmesser
Für die spanende Mikrobearbeitung tiefer, besonders filigraner Konturen stehen heute Tools in Durchmesserbereichen zwischen 50 und 100 µm zur Verfügung. Scharfe Schneiden lassen sich an derart kleinen Werkzeugen selbst mit feinstkörnigen Hartmetallen nur schwer herstellen. Auch beim Aufbringen von Verschleiß mindernden PVD-Hartstoffschichten müssen die Schichtstruktur und -stärke entsprechend der Schneidkantenausbildung und Spandicke beim Einsatz der Werkzeuge angepasst werden. Denkbar ist auch die Entwicklung völlig neuer Werkzeuge wie Hartmetallfräser mit CBN-Beschichtung. Mit Hilfe von Ionenstrahlen könnte es gelingen, Mikrofräser kleinerer Dimensionen herzustellen.
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