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Innovative Werkzeugkonzepte

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Innovative Werkzeugkonzepte

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Die Steigerung von Produktivität und die Reduzierung von Kosten sind wesentliche Ziele im Bereich der Fertigungstechnik. Im Vordergrund steht dabei vielfach die Verkürzung von Bearbeitungszeiten bei konstanter bzw. teilweise gesteigerter Bearbeitungsqualität. Bei spanenden Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide kann diese Zielsetzung nur dann weitestgehend verwirklicht werden, wenn das Leistungspotential von modernen Werkzeugen respektive Schneidstoffen voll ausgeschöpft wird. Besondere Aufmerksamkeit sollte hierbei Zerspanprozessen mit hohen Zerspanvolumen bzw. der Bearbeitung von schwer zu zerpanenden Werkstückstoffen geschenkt werden. Durch den Einsatz neuer bzw. weiterentwickelter Werkzeuge ist bei derartigen Zerspanaufgaben durchaus eine Halbierung von Fertigungshauptzeiten realisierbar.

Referent: Dr. Norbert Winands, Sandvik GmbH, Düsseldorf

Eisengußwerkstoffe
Bedingt durch das Herstellverfahren besitzen urformtechnisch erzeugte Werkstücke in der Regel vergleichbar hohe Zerspanaufmaße. Durchaus üblich sind in diesem Zusammenhang Aufmaße von mehreren Millimetern. Ein Schlüssel für die wirtschaftliche Fertigung von Gußbauteilen liegt somit in der Erzielung möglichst hoher Zerspanleistungen bei der Vor- und Endbearbeitung. Für die Zerspanung der heutzutage überwiegend eingesetzten Grauguß- (GG) und Kugelgraphitgußwerkstoffen (GGG) kommen neben Hartmetallschneidstoffen der K-Gruppe immer häufiger keramische Schneidstoffe sowie kubisch-kristallines Bornitrid (CBN) zum Einsatz. Insbesondere bei der Zerspanung von Grauguß (GG) zeichnen sich diese Schneidstoffe aufgrund der anwendbaren Schnittgeschwindigkeit im Vergleich zu Hartmetall durch eine bis zu 5fach höhere Zerspanleistung aus. Darüber hinaus sind insbesondere durch den Einsatz von CBN bei diesem Werkstückstoff Standzeiten respektive Standmengen erzielbar, die im Vergleich zu Hartmetall um den Faktor 20 höher liegen. Bild1 zeigt ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von CBN für die Fertigung von Pkw-Bremsscheiben.
Hochwarmfeste Superlegierungen
Hinter diesem Begriff verbergen sich in der Hauptsache nickel-, kobalt- sowie eisenbasierte Legierungen. Aufgrund ihrer hohen Warmfestigkeit werden diese Werkstückstoffe im Turbinenbau und zunehmend mehr im Motoren- und Armaturenbau eingesetzt. Aus fertigungstechnischer Sicht gelten diese Werkstoffe als schwierig zu bearbeiten. Near-Net-Shape-Verfahren aus dem Bereich der Umformtechnik können aufgrund der Gefügestruktur nur sehr eingeschränkt für die Formgebung herangezogen werden. Hieraus resultiert, daß die überwiegende Anzahl der zu erzeugenden Bauteile aus Guß bzw. Schmiederohlingen spanend fertig bearbeitet werden muß. In Abhängigkeit von der Komplexität der Bauteilgeometrie stellen dabei spanend abzunehmende Werkstoffvolumen, die bis zu 80% des Rohteilvolumens betragen können, keine Seltenheit dar. Kennzeichnend für die spanende Bearbeitung dieser Werkstückstoffe ist eine hohe Temperaturentwicklung und die Neigung zur Kaltverfestigung. Hieraus resultiert ein hoher Werkzeugverschleiß. Insbesondere bei Ni-Basislegierung können mit Hartmetallschneidstoffen aufgrund des rapiden Verschleißfortschrittes nur sehr geringe Schnittgeschwindigkeiten in einem Bereich zwischen vc=30-40m/min realisiert werden. In Verbindung mit großen Zerspanvolumen führt dies zu hohen Prozeßzeiten.
Keramische Schneidstoffe hingegen erlauben Schnittgeschwindigkeiten bis zu 350m/min in Ni-Basislegierungen, wodurch Bearbeitungszeiten um den Faktor 10 verkürzt werden können. Zum Einsatz kommen bislang whiskerverstärke Schneidkeramiken.
Eine weitere Steigerung der Schnittgeschwindigkeit ist mit neuartigem Sialon Keramikschneidstoff möglich. Im Vergleich zur whiskerverstärkten Keramik ermöglicht die von Sandvik entwickelte Sialon Keramik CC 6080 eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeit um mehr als 20%. Darüber hinaus weist diese Keramik eine höhere Prozeßsicherheit aufgrund geringerer Kerbverschleißneigung auf.
Stahlwerkstoffe
Aufgrund stetiger Verbesserungen bei Kaltumformverfahren können Bauteile sehr endkonturnah hergestellt werden. Hierdurch sinkt der Aufwand bei der spanenden Weiterbearbeitung, so daß Schruppbearbeitungen bereits vielfach entfallen können. Somit liegt heutzutage ein Schwerpunkt bei der Stahlzerspanung in der Schlichtbearbeitung der Bauteile. In diesem Zusammenhang bietet die Hochgeschwindigkeitszerspanung eine gute Möglichkeit, Prozeßzeiten und hierdurch Fertigungskosten zu reduzieren. Die Diskussion der Hochgeschwindigkeitszerspanung, wie sie momentan geführt wird, fokussiert sich auf die Steigerung der Schnittgeschwindigkeit und berücksichtigt zu wenig, daß auch eine entsprechende Steigerung des Vorschubes zur gleichen Reduzierung von Fertigungszeiten führt. Daß dies auch ein gangbarer Weg ist, zeigt Bild2. Durch die Modifikation im Radiusbereich einer Wendeschneidplatte wird erreicht, daß bei konstantem Vorschub deutlich bessere Oberflächen erzielt werden oder bei konstanter Oberflächenqualität erheblich höhere Vorschübe gefahren werden können. Die Modifikation dieser sog. „Wiper-Geometrie“ ist dabei so gering, daß alle Radiusmaße noch innerhalb ISO-Toleranzen für Wendeplatten liegen. Wie eine Reihe von Praxistests belegt, bleibt die erzielbare Standmenge trotz erhöhtem Vorschub konstant.
Gehärtete Stahlwerkstoffe
Hochleistungsschneidstoffe wie CBN und Keramik erlauben heutzutage die Zerspanung von gehärteten Stahlwerkstoffen. Eine Vielzahl von industriell umgesetzten Anwendungen dieser Technologie bestätigt, daß Fertigungsqualitäten erzielbar sind, die bislang dem Verfahren Schleifen vorbehalten waren. Somit ist in vielen Bearbeitungsfällen eine Substitution von Schleifoperation durch Hartdrehen möglich. Aus wirtschaftlicher Sicht können durch Hartdrehen im Vergleich zum Schleifen eine Reihe von Vorteilen erzielt werden. Als verfahrensspezifische Vorteile sind die höhere Verfahrensflexibilität durch nicht formgebundene Werkzeuge, der geringere Energiebedarf bei gleicher Zerspanleistung und die bessere Umweltverträglichkeit aufgrund leicht recycelbarer Zerspanabfälle zu nennen. In dem für die Hartbearbeitung typischen Härtebereich von 58-62 HRC ist die Schneidstoffauswahl für das Hartdrehen im glatten bzw. leicht unterbrochenen Schnitt unter wirtschaftlichen Aspekten zwischen Mischkeramik und CBN zu treffen. Aus technologischer Sicht bietet aber der Einsatz von CBN-Schneidstoffen eine Reihe von Vorteilen. Zu nennen ist hier vor allem die deutlich höhere Prozeßsicherheit des CBN im Vergleich zur Keramik. Insbesondere bei wiederholten Anschnitten und Schnittunterbrechungen sind CBN-Wendeschneidplatten wegen ihrer höheren Zähigkeit der Mischkeramik deutlich überlegen. Die hohe Warmhärte in Verbindung mit einer hervorragenden Kantenstabilität prädestinieren die CBN-Sorte 7020 für den Einsatz bei Schlichtoperationen sowohl im glatten als auch im unterbrochenen Schnitt. Übliche Schnittgeschwindigkeiten liegen für diesen Schneidstoff in einem Bereich von 150 bis 250m/min bei Vorschubraten zwischen 0,06 bis 0,2 mm. Höhere Vorschubraten sowie große Schnittiefen erfordern gute Zähigkeitseigenschaften des Schneidstoffes. Diese Anforderung wird durch die CBN-Sorte 7050 erfüllt. Typische Einsatzparameter für diesen Schneidstoff sind hohe Spanungsquerschnitte und vergleichsweise geringe Schnittgeschwindigkeiten in einem Bereich von 60 bis 120m/min. Die außerordentlich hohe mechanische Verschleißfestigkeit dieses Schneidstoffes erlaubt im Vergleich zum Schleifen bis zu 10fach höhere Zerspanleistungen im Schruppschnitt. Darüber hinaus bietet die neue Herstelltechnologie der CBN-Wendeschneidplatte Vorteile gegenüber den marktüblichen, mit einer Schneidkante bestückten Wendeschneidplatten (Bild3). Während bislang bei diesen Schneidplatten die Verbindung zwischen CBN und Hartmetallträger durch Löten hergestellt wurde, erlaubt die neue Herstelltechnik eine lotfreie Verbindung durch Sintern. Hierdurch ist die Wendeschneidplatte wesentlich unempfindlicher gegenüber den hohen Schneidentemperaturen. Die Anordnung mehrerer Schneiden auf einem Schneidkörper reduziert die Kosten je Schneidkante erheblich und trägt dadurch zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit bei der Hartzerspanung bei.
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