Optimiertes Zerspanen von Hartmetallen

von Klaus Vollrath, 01. März 2019
Durch Fräsen, Bohren und Schleifen auf einer Röders RX 501 hergestelltes Werkstück
Hartmetalle bestehen aus feinen Hartstoffkörnern – zumeist Wolframcarbid – mit einer metallischen Bindung wie z.B. Cobalt. Sie werden pulvermetallurgisch in Form gebracht und erreichen nach dem Sintern hohe Festigkeits- und Härtewerte. Bevorzugte Anwendungen sind Zerspanungswerkzeuge, doch auch bei Schnitt- und Umformwerkzeugen führen ihre überlegenen Standmengen 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.
Bei der Massenproduktion von Stanz- oder Umformteilen hat der Verschleiß der eingesetzten Werkzeuge wesentlichen Einfluss auf Qualität und Kosten. Deshalb werden hierfür immer häufiger Hartmetalle eingesetzt, da sie eine überlegene Standzeit aufweisen. Die Bearbeitung dieser superharten Werkstoffe ist jedoch anspruchsvoll.

Da eine Zerspanung aufgrund ihrer hohen Härte bisher erhebliche Schwierigkeiten bereitete, kam eine aufwendige Prozesskette zum Einsatz, die vor allem auf Funkenerosion sowie Schleif- bzw. Polierbearbeitung setzte. Erhebliche Fortschritte in den Bereichen Werkzeugmaschinen, Werkzeugen und Software haben mittlerweile dazu geführt, dass statt der Funkenerosion die üblichen spanabhebenden Prozesse wie Fräsen, Bohren, Drehen oder Koordinatenschleifen eingesetzt werden können. Dies ermöglicht eine erheblich verkürzte Prozesskette mit deutlichen Zeit- und Kostenvorteilen. Darüber hinaus ergeben sich noch Pluspunkte bezüglich Qualität, Oberflächengüte, Genauigkeit und Standzeit der Werkzeuge.

Aus einem massiven Hartmetall-Block herausgefrästes Uhrengehäuse

Abgestimmte Prozesskette entscheidend

Die Zerspanung von Hartmetallen bleibt trotz aller Fortschritte eine technische Herausforderung. Aufgrund ihrer hohen Härte werden Maschinen und Bearbeitungswerkzeuge extrem hohen Belastungen ausgesetzt, wodurch sich schon kleinere Unzulänglichkeiten stark nachteilig auf die Lebensdauer der Werkzeuge sowie die Bearbeitungsqualität auswirken können bzw. eine erfolgreiche Bearbeitung verhindern. Besonders kritisch sind selbst kleine Bahnabweichungen der Werkzeuge z.B. aufgrund unzureichender Steifigkeit oder Nullpunktstabilität der Maschine, da dies die Belastung der Schneiden schnell in den roten Bereich treiben kann. Im gleichen Zusammenhang kommt es auch entscheidend auf Laufruhe, Steifigkeit und Dämpfung der Werkzeugmaschine an.

Bei den Werkzeugen selbst sollte sorgfältig darauf geachtet werden, dass sie sich für die vorgesehene Bearbeitung und den entsprechenden Werkstoff eignen. Der undifferenzierte Blick in den Katalog oder die Wahl einer vorgeblichen „Universallösung“ können bei ungeeigneter Paarung von Werkstoff und Werkzeug zu drastisch verringerten Standzeiten bzw. zu Mängeln am Produkt führen.
Ein weiterer Aspekt sind die Frässtrategien sowie die NC-Programmierung, die speziell auf die jeweilige Aufgabenstellung hin optimiert werden sollten. Hier kommt es auf Aspekte wie die Vermeidung suboptimaler Bahnverläufe, die z.B. zu große Umschlingungen verursacht, oder die Optimierung der Abnutzung von Kugelfräsern durch gleichmäßige Verteilung der Angriffspunkte über die gesamte Länge der Schneide an.

Die Bearbeitung erfolgt im intensiven Ölschwall

Grundlagen der Zerspanung von Hartmetallen

„Hartmetalle haben Härten im Bereich 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 Werkstoffe wie polykristallines kubisches Bornitrid (pCBN), polykristallinen Diamant (PKD) sowie chemisch aus der Gasphase abgeschiedene Diamanten (CVD) zu. Besonders im Fokus der Entwickler sind darüber hinaus Werkzeuge aus Hartmetall mit CVD-Diamantbeschichtung. Bei geeigneten Bedingungen lassen sich quasi-kontinuierlich duktile Späne abheben.

Das Schnittkraftniveau ist hoch und steigt durch Abnutzung der Schneiden stark an, wobei sich CVD-Diamant besser verhält als pCBN. Bei der spanabhebenden Bearbeitung entstehen in der Oberfläche des Werkstücks Druckeigenspannungen, die sich positiv auf dessen Verhalten im Einsatz auswirken und zu deutlich erhöhten Standzeiten führen können. Als Verschleißmechanismus wirkt bei PKD-Werkzeugen vorwiegend der Span- und Freiflächenverschleiß durch Abrasion, während bei diamantbeschichteten HM-Werkzeugen die Einsatzdauer durch Versagen der Beschichtung begrenzt wird.
Gegenüber der Bearbeitung mit speziellen Fräswerkzeugen bietet sich als Alternative für die Hartmetallbearbeitung das Koordinatenschleifen mit galvanisch belegtem oder keramisch gebundenem Diamantkorn an. Diese Werkzeuge sind relativ preisgünstig in der Anschaffung, erreichen gute Standzeiten und ermöglichen hohe Oberflächengüten. Allerdings ist ihr Einsatz - bedingt durch den Schleifprozess - auf ebene Flächen beschränkt.

Anforderungen an Werkzeugmaschinen

„Fräs- und Schleifmaschinen zur Hartmetallbearbeitung müssen ganz spezifische Merkmale aufweisen“, verriet Jürgen Röders, Geschäftsführer der Fa. Röders GmbH. An erster Stelle sind besonders hohe Präzision, Steifigkeit und Dämpfung zu nennen. Voraussetzung hierfür ist eine sehr steife Konstruktion. Besonders wichtig ist auch die Regelfrequenz der Antriebe. Je höher diese ist, desto schneller 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 Unterschied zu Kugelrollspindeln keine federnden Zwischenglieder zwischen Antrieb und Achsposition aufweisen. Von hoher Bedeutung ist auch die Nullpunktstabilität, d.h. der Nullpunkt darf auch bei längeren Bearbeitungszeiten nicht wegdriften. Letzteres ist Voraussetzung für gleichmäßig geringe Spandicken sowie hohe Maßhaltigkeit und Bearbeitungsqualität. Geringe Spandicken sind im Zusammenspiel mit minimalen Vibrationen entscheidend für die Lebensdauer der Werkzeuge. Hohe Nullpunktstabilität setzt ein besonders ausgeklügeltes Temperaturmanagement der Werkzeugmaschine voraus.

Röders RXP501 DSC

Im gleichen Zusammenhang ist auch eine Beherrschung der Längenänderung der Spindel bei wechselnden Belastungen oder Drehzahlen zu nennen. Zum Temperaturmanagement gehört auch der Kühlschmierstoff. Wässrige KSS-Emulsionen beeinflussen die Temperatur des Arbeitsraums sowie des Werkstücks aufgrund der Verdunstungskühlung in schwer beherrschbarer 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 Bearbeitungsstrategie wählen.

Werkzeuge für die Hartmetallbearbeitung

„Union Tool hat VHM-Werkzeuge mit einer speziellen Diamantbeschichtung entwickelt, die sich speziell 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 bearbeitet wurden. Als Gründe seien der Entfall von Korrosion sowie der geringe Wärmeeintrag zu nennen, da beim Zerspanen die Wärme mit den Spänen abgetragen wird. Weitere Vorteile sind höhere Genauigkeit, bessere Formtreue sowie eine bessere Oberflächengüte. Letztere werde zudem sofort bei der Bearbeitung erreicht, ohne dass ein zusätzlicher Polierarbeitsgang erforderlich werde.

Die VHM-Werkzeuge der UDC-Serie haben eine spezielle, 20µm dicke Hochleistungs-Diamantschicht, die durch das CVD-Verfahren aufgebracht wird. Anschließend werden die durch die Beschichtung verrundeten Schnittkanten durch eine spezielle Präparation geschärft. Dadurch werden die Schnittkräfte erheblich verringert und die Standzeit signifikant erhöht. Neben Fräsern wurden auch Bohrer sowie Gewindewirbler 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 lehrenhaltig waren. Bei der Bestimmung der Auszugskräfte stellte sich heraus, dass diese um ein Vielfaches höher lagen als bei Gewinden, die durch Erodieren hergestellt worden waren. 

Tolerante Kanten der CAD-Daten können auf Knopfdruck analysiert und verbessert werden.

Für die Hartmetall-Bearbeitung geeignete CAD/CAM-Software

„Visi ist speziell für den Einsatz im Werkzeug- und Formenbau 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 Frässtrategien für 2,5-Achs, 3+2-Achs sowie 5-Achs-Bearbeitung mit speziellen HSC-Optionen. Dank zahlreicher Standardschnittstellen ist das System komplett offen. Voraussetzung für gute Ergebnisse ist allerdings eine gute Qualität der CAD-Daten: Nur wenn diese 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 bearbeiten, wie zum Beispiel die Verbesserung der Kantengenauigkeit“, ergänzte Sebastian Krause vom Mecadat-Support. Weitere 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 vermeiden. 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 verwendet und somit bestmöglich genutzt wird. Bei der Schleifbearbeitung von Außenkonturen kann für Schnellhubschleifen optiert werden.

Abgerundet wurde die theoretische Darlegung der Anforderungen an die Hartmetallbearbeitung durch die Präsentation von zwei realen Anwendungen im Technikum von Röders auf den Maschinen RXP500 und RXP501DSC. Die Seminarteilnehmer erhielten Einblicke in die Programme von Visi sowie detaillierte Erläuterungen 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 Koordinatenschleifen kombiniert. Erreicht wurden Oberflächengüten bis zu Ra 0,015µm. Im Rahmen der abschließenden Diskussion fasste J. Röders die Ergebnisse des Tages wie folgt zusammen: „Die spanende Bearbeitung von Hartmetallen ist wirtschaftlich möglich, sofern in allen Teilsystemen gute Lösungen umgesetzt werden. Wird jedoch selbst an nur einer Stelle etwas falsch gemacht wird, so funktioniert die Bearbeitung nicht mehr."

 

 

Sie finden den vollständigen Artikel in der nachfolgenden Pdf-Datei.