ZERSPANUNG

Bei der Massenproduktion von Stanz- oder Umformteilen hat der Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge wesent-lichen Einfluss auf Qualität und Kos-ten. Deshalb werden hierfür immer

häufiger Hartmetalle eingesetzt, da sie eine überlegene Standzeit aufwei-sen. Die Bearbeitung dieser superhar-ten Werkstoffe ist jedoch anspruchs-voll. Da eine Zerspanung aufgrund Fo

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ihrer hohen Härte bisher erhebliche Schwierigkeiten bereitete, kam eine aufwendige Prozesskette zum Ein-satz, die vor allem auf Funkenerosi-on sowie Schleif- bzw. Polierbearbei-tung setzte. Erhebliche Fortschritte in den Bereichen Werkzeugmaschinen, Werkzeuge und Software haben mitt-lerweile dazu geführt, dass statt der Funkenerosion die üblichen spanab-hebenden Prozesse wie Fräsen, Boh-ren, Drehen oder Koordinatenschlei-fen eingesetzt werden können. Dies ermöglicht eine erheblich verkürzte Prozesskette mit deutlichen Zeit- und Kostenvorteilen. Darüber hinaus erge-ben sich noch Pluspunkte bezüglich Qualität, Oberflächengüte, Genauig-keit und Standzeit der Werkzeuge.

ABGESTIMMTE PROZESSKETTE ENTSCHEIDEND

Die Zerspanung von Hartmetallen bleibt trotz aller Fortschritte eine technische Herausforderung. Auf-grund ihrer hohen Härte werden Maschinen und Bearbeitungswerk-zeuge extrem hohen Belastungen aus-gesetzt, wodurch sich schon kleinere Unzulänglichkeiten stark nachteilig auf die Lebensdauer der Werkzeuge

Optimiertes Zerspanen von HartmetallenBausteine einer durchgehenden Prozesskette

Hartmetalle bestehen aus feinen Hartstoffkörnern – zumeist Wolframcarbid – mit einer metal-

lischen Bindung wie z.B. Cobalt. Sie werden pulvermetallurgisch in Form gebracht und erreichen

nach dem Sintern hohe Festigkeits- und Härtewerte. Bevorzugte Anwendungen sind Zerspanungs-

werkzeuge, doch auch bei Schnitt- und Umformwerkzeugen führen ihre überlegenen Standmen-

gen zu einer steigenden Nachfrage. Die hierfür erforderliche spanende Bearbeitung ist aufwändig

und kann kostenintensiv sein. Im Rahmen eines Seminars bei einem Werkzeugmaschinenhersteller

präsentierten Fachleute aus den Bereichen Produktionstechnik, Werkzeugmaschinen, Werkzeuge

sowie CAD-CAM-Software ihre entsprechenden Erfahrungen sowie praxistaugliche Lösungen.

Durch Fräsen, Bohren und Schleifen auf einer Röders RX 501 hergestelltes Werkstück aus Hartmetall. Gesamt-Bearbeitungszeit 5 h 54 min 51 s, Oberflächenrauheit Ra 0,015-0,024 µm, Rundheit der Bohrung (Ø 4,5 mm) 0,6 µm. Programmiert wurde diese Bearbeitung mit Visi und gefräst wurde mit Werkzeugen von Six Sigma Tools mit kleinsten Durchmessern von 0,7 mm. Die äußeren Flanken wurden durch Koordi-natenschleifen erzeugt. (Foto: Klaus Vollrath) - W R Z UG

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________von Klaus Vollrath

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sowie die Bearbeitungsqualität aus-wirken können bzw. eine erfolgreiche Bearbeitung verhindern. Besonders kritisch sind selbst kleine Bahnab-weichungen der Werkzeuge z.B. auf-grund unzureichender Steifigkeit oder Nullpunktstabilität der Maschi-ne, da dies die Belastung der Schnei-den schnell in den roten Bereich trei-ben kann.

Im gleichen Zusammenhang kommt es auch entscheidend auf Laufruhe, Steifigkeit und Dämpfung der Werk-zeugmaschine an. Bei den Werkzeu-gen selbst sollte sorgfältig darauf ge-achtet werden, dass sie sich für die vorgesehene Bearbeitung und den entsprechenden Werkstoff eignen. Der undifferenzierte Blick in den

Aus einem massiven Hartmetall-Block herausge-frästes Uhrengehäuse (Foto: Klaus Vollrath)

Katalog oder die Wahl einer vorgeb-lichen „Universallösung“ können bei ungeeigneter Paarung von Werkstoff und Werkzeug zu drastisch verringer-ten Standzeiten bzw. zu Mängeln am Produkt führen.

Ein weiterer Aspekt sind die Fräs-strategien sowie die NC-Program-mierung, die speziell auf die jewei-lige Aufgabenstellung hin optimiert werden sollten. Hier kommt es auf Aspekte wie die Vermeidung subop-timaler Bahnverläufe, die z.B. zu gro-ße Umschlingungen verursacht, oder die Optimierung der Abnutzung von Kugelfräsern durch gleichmäßige Ver-teilung der Angriffspunkte über die gesamte Länge der Schneide an.

GRUNDLAGEN DER ZERSPANUNG VON HARTMETALLEN

„Hartmetalle haben Härten im Be-reich von ca. 1.500-2.000HV und Biegefestigkeiten bis zu 4.500MPa“, erläuterte Prof. Wolfgang Hintze vom Institut für Produktionsmanagement und -technik der TU Hamburg. Um sie zerspanen zu können, muss die eindringende Schneide eine höhere Härte aufweisen. Dies trifft auf Werk-stoffe wie polykristallines kubisches Bornitrid (pCBN), polykristallinen Diamant (PKD) sowie chemisch aus der Gasphase abgeschiedene Diaman-ten (CVD) zu. Besonders im Fokus der Entwickler sind darüber hinaus Werkzeuge aus Hartmetall mit CVD-

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Spezialisten für Hartmetall-Zerspanung: Robert Schönfelder (Six Sigma Tools), Dipl.-Ing. Jürgen Röders (RödersTec), Ferdinand Hoischen (Mecadat), Prof. Dr. Wolfgang Hintze (Lehrst. f. Produktionstechnik, TUHH), Sebastian Krause (Mecadat) (v.l.n.r.) (Foto: Röders)

ZERSPANUNG

Diamantbeschichtung. Bei geeigneten Bedingungen lassen sich quasi-kon-tinuierlich duktile Späne abheben. Das Schnittkraftniveau ist hoch und steigt durch Abnutzung der Schnei-den stark an, wobei sich CVD-Dia-mant besser verhält als pCBN. Bei der spanabhebenden Bearbeitung entste-hen in der Oberfläche des Werkstücks Druckeigenspannungen, die sich po-sitiv auf dessen Verhalten im Einsatz auswirken und zu deutlich erhöhten Standzeiten führen können. Als Ver-schleißmechanismus wirkt bei PKD-Werkzeugen vorwiegend der Span- und Freiflächenverschleiß durch Abrasion, während bei diamantbe-schichteten HM-Werkzeugen die Einsatzdauer durch Versagen der Be-schichtung begrenzt wird. Gegenüber der Bearbeitung mit speziellen Fräs-werkzeugen bietet sich als Alternati-ve für die Hartmetallbearbeitung das Koordinatenschleifen mit galvanisch belegtem oder keramisch gebunde-nem Diamantkorn an. Diese Werkzeu-ge sind relativ preisgünstig in der An-schaffung, erreichen gute Standzeiten und ermöglichen hohe Oberflächen-güten. Allerdings ist ihr Einsatz - be-dingt durch den Schleifprozess - auf ebene Flächen beschränkt.

ANFORDERUNGEN AN WERKZEUGMASCHINEN

„Fräs- und Schleifmaschinen zur Hartmetallbearbeitung müssen ganz spezifische Merkmale aufweisen“, verriet Jürgen Röders, Geschäftsfüh-rer der Fa. Röders GmbH. An erster Stelle sind besonders hohe Präzision, Steifigkeit und Dämpfung zu nennen. Voraussetzung hierfür ist eine sehr steife Konstruktion. Besonders wich-tig ist auch die Regelfrequenz der An-triebe. Je höher diese ist, desto schnel-ler werden Bahnabweichungen – z.B. aufgrund der Zerspankräfte – erkannt und korrigiert. Basierend auf dieser Erkenntnis hat Röders 32-kHz-Regler entwickelt, wodurch die erreichbaren Oberflächengüten weiter verbessert wurden. Zur Präzision tragen auch Linear-Direktantriebe bei, die im Un-

Pressen Sintern HPC-Fräsen FertigteilPulvervor-bereitung

Pulvervor-bereitung

PressenGrünlings-bearbeitung

SinternSchleifen/Polieren

FertigteilElektroden-bearbeitung

Erodieren

WCCo

WCCo

Zeitersparnis

Qualitätsverbesserung

Konventionell wurden Hartmetalle durch Funkenerosion bearbeitet. Rationeller ist die Zerspanung durch Fräsen und Schleifen, die erhebliche Vorteile bei Preis, Kosten und Qualität bietet. (Grafik: TUHH, IPMT)

PCBN

CVD-Dickschicht-Diamant

Biegefestigkeit in MPa

1000 2000 3000 4000 5000

10000

5000

1800

Härte(HV 30)

Hartmetalle

bisher zerspanteHartmetalle

Wesentliche Eigenschaften von Hartmetallen sowie Schneidstoffen (Grafik: TUHH, IPMT)

Spanbildungszone beim quasistatischen Zerspanen von Hartmetall (Grafik: TUHH, IPMT)

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terschied zu Kugelrollspindeln keine federnden Zwischenglieder zwischen Antrieb und Achsposition aufweisen. Von hoher Bedeutung ist auch die Nullpunktstabilität, d.h. der Null-punkt darf auch bei längeren Bearbei-tungszeiten nicht wegdriften. Letzte-res ist Voraussetzung für gleichmäßig geringe Spandicken sowie hohe Maß-haltigkeit und Bearbeitungsqualität. Geringe Spandicken sind im Zusam-menspiel mit minimalen Vibrationen entscheidend für die Lebensdauer der Werkzeuge. Hohe Nullpunktstabili-tät setzt ein besonders ausgeklügeltes Temperaturmanagement der Werk-zeugmaschine voraus.

Im gleichen Zusammenhang ist auch eine Beherrschung der Längenände-rung der Spindel bei wechselnden Be-lastungen oder Drehzahlen zu nennen. Zum Temperaturmanagement gehört auch der Kühlschmierstoff. Wässri-ge KSS-Emulsionen beeinflussen die Temperatur des Arbeitsraums sowie des Werkstücks aufgrund der Verduns-tungskühlung in schwer beherrschba-rer Weise, weshalb Ölkühlung besser geeignet ist. Da die Maschinen von Röders somit alle Voraussetzungen für eine leistungsfähige Fräsbearbeitung von Hartmetallen aufweisen, sich aber auch für das Koordinatenschleifen eignen, kann der Anwender für jede Aufgabenstellung die geeignetste Be-arbeitungsstrategie wählen.

WERKZEUGE FÜR DIE HARTMETALLBEARBEITUNG

„Union Tool hat VHM-Werkzeuge mit einer speziellen Diamantbeschich-tung entwickelt, die sich besonders für die Zerspanung von Hartmetall eignen“, sagte Robert Schönfelder, Geschäftsführer der Six Sigma Tools GmbH. Matrizen und Stempel aus Hartmetall, die durch Fräsen gefertigt wurden, haben nach seiner Erfahrung eine oft mehrfach längere Standmenge als solche, die mittels Erodieren be-arbeitet wurden. Als Gründe seien der Entfall von Korrosion sowie der geringe Wärmeeintrag zu nennen, da beim Zerspanen die Wärme mit den

Die Bearbeitung erfolgt im intensiven Ölschwall (Foto: Klaus Vollrath)

Bedeutung der Steuerungs-Taktfrequenz: Bei 32KHz wird auf eine beginnende Bahnabweichung schon nach 0,03ms reagiert, bei 8kHz dauert dies dagegen 0,12ms (Grafik: Röders)

UDC-Fräser für Hartmetall: Unbeschichtet (1), mit verrundeten Kanten nach Diamantbeschichtung (2) und mit geschärfter Schneidkante nach spezieller Präparation (3) (Bild: Six Sigma Tools)

Spänen abgetragen wird. Weitere Vor-teile sind höhere Genauigkeit, bessere Formtreue sowie eine bessere Ober-flächengüte. Letztere werde zudem sofort bei der Bearbeitung erreicht, ohne dass ein zusätzlicher Polier-arbeitsgang erforderlich werde. Die VHM-Werkzeuge der UDC-Serie ha-ben eine spezielle, 20µm dicke Hoch-

leistungs-Diamantschicht, die durch das CVD-Verfahren aufgebracht wird.

Anschließend werden die durch die Beschichtung verrundeten Schnitt-kanten durch eine spezielle Präpara-tion geschärft. Dadurch werden die Schnittkräfte erheblich verringert und die Standzeit signifikant erhöht.

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Während des Seminars wurde die Bearbeitung von Hartmetall auf dieser Röders RXP501 DSC demonstriert (Foto: Klaus Vollrath)

Neben Fräsern wurden auch Bohrer sowie Gewinde-wirbler entwickelt. Die Ergebnisse sprechen für sich: Eine 20mm tiefe Bohrung mit einem Durchmesser von 6,8mm in einen VHM-Block konnte in nur zwei Minuten erzeugt werden und die Herstellung von 16 Gewindebohrungen M5 bzw. M6 nahm insgesamt nur drei Stunden in Anspruch, wobei die Gewinde lehren-haltig waren. Bei der Bestimmung der Auszugskräfte stellte sich heraus, dass diese um ein Vielfaches höher lagen als bei Gewinden, die durch Erodieren herge-stellt worden waren.

FÜR DIE HARTMETALL-BEARBEITUNG GEEIGNETE CAD/CAM-SOFTWARE

„Visi ist speziell für den Einsatz im Werkzeug- und For-menbau konzipiert und hat als Basis einen Parasolid-Kernel, der eine Bearbeitung von Draht-, Flächen- wie auch Volumenmodellen ermöglicht“, wusste Ferdinand Hoischen, Vertriebsmitarbeiter der Mecadat AG. Die Bearbeitungsfunktionen bieten umfangreiche Fräs-strategien für 2,5-Achs, 3+2-Achs sowie 5-Achs-Bear-beitung mit speziellen HSC-Optionen. Dank zahlrei-cher Standardschnittstellen ist das System komplett offen. Voraussetzung für gute Ergebnisse ist allerdings eine gute Qualität der CAD-Daten: Nur wenn die-se gegeben ist, ist eine erfolgreiche Bearbeitung von Hartmetall möglich. „Für die Hartmetall-Bearbeitung bietet Visi eine ganze Palette an CAD-Funktionen, um die Daten mit höchstmöglicher Genauigkeit zu bear-beiten, wie zum Beispiel die Verbesserung der Kan-

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Tolerante Kanten der CAD-Daten können auf Knopfdruck analysiert und verbessert werden (Grafik: Mecadat)

UDC-Fräser nach vierstündigem Schruppeinsatz (Bild: Six Sigma Tools)

Die vom System optimierten Vorschubbereiche werden in unterschiedlichen Farben dargestellt, die Anpassung des Vorschubs bezogen auf das Material ist bei der Bearbeitung von Hartmetall sehr wichtig (Grafik: Mecadat)

INFO

Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Hintze

Inst. f. Produktionsmanagement und -technik TU Hamburg

Denickestraße 17 | 21073 Hamburg | T.: +49-40-42878-3051

w.hintze@tuhh.de www.tuhh.de/ipmt

Mecadat AG

Hagenaustr. 5 | 85416 Langenbach | T.: +49-8761-76200

info@mecadat.de | www.mecadat.de

Röders GmbH

Scheibenstraße 6 | 29614 Soltau | T.: +49-5191-603-43

info@roeders.de | www.roeders.de

Six Sigma Tools GmbH

Holderäckerstraße 4 | 70499 Stuttgart | T.: +49-711-490-84-370

info@sixsigmatools.de | www.sixsigmatools.de

tengenauigkeit“, ergänzte Sebastian Krause vom Mecadat-Support. Wei-tere CAM-Funktionen ermöglichen reduzierte Vorschübe beim Einfahren in die bzw. beim Ausfahren aus der Kontur, die Reduzierung wird hier in unterschiedliche Vorschub-Bereiche aufgeteilt, um Ausbrüche zu vermei-den. Auch beim Bohren können alle wichtigen Phasen der Bearbeitung vom Vorschub her gesteuert werden. Bei der 5-Achs-Simultan-Bearbeitung wurde durch ein kontinuierliches Kippen von 8-20° darauf geachtet, dass die Schneide möglichst über ihre gesamte Länge gleichmäßig verwen-det und somit bestmöglich genutzt wird. Bei der Schleifbearbeitung von Außenkonturen kann für Schnellhub-schleifen optiert werden.

PRAXISVORFÜHRUNG

Abgerundet wurde die theoretische Darlegung der Anforderungen an die Hartmetallbearbeitung durch die Präsentation von zwei realen Anwen-dungen im Technikum von Röders auf den Maschinen RXP500 und RXP501DSC. Die Seminarteilnehmer erhielten Einblicke in die Program-me von Visi sowie detaillierte Erläu-terungen zur Bearbeitungsstrategie direkt an den Maschinen. Für eine optimale Wirtschaftlichkeit wurden bei den Bearbeitungen der Stempel das Fräsen mit Werkzeugen von Six Sigma mit Durchmessern von 5mm zum Schruppen und bis zu 0,7mm beim Schlichten mit dem Koordi-natenschleifen kombiniert. Erreicht wurden Oberflächengüten bis zu Ra 0,015µm.

Im Rahmen der abschließenden Dis-kussion fasste J. Röders die Ergeb-nisse des Tages wie folgt zusammen: „Die spanende Bearbeitung von Hart-metallen ist wirtschaftlich möglich, sofern in allen Teilsystemen gute Lö-sungen umgesetzt werden. Wird je-doch selbst an nur einer Stelle etwas falsch gemacht wird, so funktioniert die Bearbeitung nicht mehr.“

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