Verzahnungsfräsen in der Medizintechnik Cobalt-Chrom: Zerspanungstechnische Herausforderung

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Das Unternehmen Hymec Fertigungstechnik hat sich auf medizintechnische Komponenten spezialisiert. Anspruchsvolle Werkstücke mit engsten Toleranzen aus schwer zu zerspanenden Superlegierungen bilden den Fokus. Genau für solche Aufgaben unterstützt Horn das Unternehmen mit passenden und produktiven Werkzeuglösungen. Für das Fräsen einer Kronenradverzahnung aus Cobalt-Chrom lieferte Horn eine passende Werkzeuglösung.

Das Unternehmen Hymec setzt hier an und hat sich auf medizintechnische Produkte, Einzelanfertigungen und anspruchsvolle Kleinserien spezialisiert. «Wir sehen uns als Manufaktur für die Feinstpräzision in höchster Qualität», sagt Geschäftsführer Tibor Veres. Das Bearbeiten von Hightech-Werkstoffen wie Titanlegierungen, Implantatstähle und Superlegierungen wie Cobalt-Chrom (CoCr) gehören bei Hymec zum Tagesgeschäft. Das Tätigkeitsspektrum umfasst sowohl die Herstellung von feinmechanischen Elementen und kompletten Baugruppen als auch die technische Beratung von der Konzeption, Konstruktion bis hin zum Qualitätsaudit.

Cobalt-Chrom gehört zu den leistungsfähigsten Werkstoffen

Je nach Hersteller besteht Cobalt-Chrom in der Regel aus 50–70 Prozent Cobalt, 20–30 Prozent Chrom und aus den zusätzlichen Legierungsbestandteilen Molybdän, Wolfram, Niob, Mangan oder Silizium. CoCr gehört zu den leistungsfähigsten Werkstoffen für die Endoprothetik. Der Werkstoff eignet sich besonders für künstliche Kniegelenke und Hüftprothesen, wo Metall auf Metall Gleitpaarungen zum Einsatz kommen. Darüber hinaus ist CoCr auch weit in der Zahnprothetik verbreitet. Wegen der hohen Biokompatibilität mit dem menschlichen Gewebe und seiner absoluten Korrosionsfreiheit kommen CoCr-Legierungen aufgrund des hohen Werkstoffpreises vorwiegend in der Medizintechnik vor.

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Hohe Anforderungen an Werkzeugtechnologie

Das Fräsen einer Kronenradverzahnung aus dem schwierig zu zerspanenden Cobalt-Chrom verlangte nach einer auf diesen Werkstoff zugeschnittene Werkzeuglösung. Das Bauteil aus CoCr kommt in der Endoprothetik zum Einsatz. Dementsprechend sind die Anforderungen an die Oberflächengüte und Präzision hoch.

Des Weiteren müssen die gefrästen Zähne absolut gratfrei sein. Jeder noch so kleine Grataufwurf stellt eine potenzielle spätere Keimstelle dar. Die Verzahnung dient mit dem entsprechenden Gegenstück im späteren Einsatz im menschlichen Körper zum Einstellen des genauen Winkels der Prothese. Hymec fertigt von dem Bauteil rund 10 000 Teile pro Jahr.

Gratarmes Fräsen als Herausforderung

Horn löste die Bearbeitungsaufgabe mit seinem Zirkularfräswerkzeugsystem des Typs 713. «Wir haben aufgrund der hohen Belastung und zur Erhöhung der Standzeit die Schneidplattenvariante mit zwölf Zähnen gewählt. Der Schnittdruck bleibt aber trotz den zwölf Schneiden niedrig», erklärt der Horn-Aussendienstmitarbeiter Thomas Wassersleben. Das Schneidenprofil der Fräsplatte ist eine Sonderform und präzisionsgeschliffen.

Eine Herausforderung war das gratarme Fräsen der einzelnen Zähne des Werkstückes. Im Fräsprozess fährt das Werkzeug zuerst im Vollschnitt und in der Fräsrichtung Gegenlauf über die komplette Stirnseite des Bauteils. Danach in der gleichen Zustelltiefe im Gleichlauf auf die Anfangsposition zurück. Anschliessend dreht die Spindel das Werkstück um die programmierte Winkelzahl der Verzahnung weiter und der Fräsprozess beginnt von Neuen.

Dies wiederholt sich, bis alle Zähne gefertigt sind. Die Schnittgeschwindigkeit liegt beim Fräsen bei vc = 90 m/min.

Standzeit liegt bei 200 Bauteilen

«Wir sind mit der Leistung des Werkzeugs sehr zufrieden. Die Standzeit liegt bei rund 200 Bauteilen pro Schneidplatte», erzählt Veres. Aufgrund der langen Auskragung des Werkzeugs kommt ein Vollhartmetall-Werkzeugschaft mit grösserem Durchmesser zum Einsatz. Durch die hohe Masse und die dadurch resultierende Schwingungsdämpfung lassen sich Rattermarken und ein Aufschwingen des Werkzeugs im Fräsprozess vermeiden.

Optimiert: Schneidengeometrie, Hartmetallsubstrat und Beschichtung

Der harte und zähe Werkstoff Cobalt-Chrom erforderte eine Anpassung der Schneidengeometrie, des Hartmetallsubstrates, der Beschichtung, den Bearbeitungsbedingungen und der Kühlschmierung. Die Hartpartikel in der Legierung neigen zur Bildung von Abrasiv- und Kolkverschleiss. Darüber hinaus stellt die Kaltferfestigung der Oberfläche ein Problem bei der Zerspanung dar.

Die Werkzeugschneide ist wie bei der Zerspanung von Titan besonders präpariert. Als Hartmetallsubstrat dient eine zähe Feinstkornsorte. Die Beschichtung der Werkzeuge muss hart und hitzebeständig sein. In diesem Fall setzt Horn auf die Sorte IG35. Die Beschichtung weist trotz scharfer Schneidkanten eine sehr hohe Schichthaftung auf und sorgt daher für eine hohe Schneidkantenstabilität.

Durch die hohe Temperaturbeständigkeit dient die Schicht als Hitzeschild, um die Wärmeeinleitung in das Hartmetall zu verringern. Darüber hinaus ist die richtige Kühlschmierung der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück eine weitere Voraussetzung für die erfolgreiche Zerspanung der Superlegierung. Zudem stellt der hohe Materialpreis grosse Ansprüche an die Prozesssicherheit der eingesetzten Werkzeuge.

Schnell und prozesssicher

Das Zirkularfrässystem von Horn bietet dem Anwender eine Reihe von Verfahrensvorteilen: Es ist schnell, prozesssicher und erzielt gute Oberflächen. Dabei taucht das auf einer Helixbahn geführte Werkzeug schräg oder sehr flach in das Material ein. Dadurch lassen sich beispielsweise Gewinde in reproduzierbar hoher Qualität herstellen.

Im Vergleich zur Bearbeitung mit Wendeschneidplatten bei grösseren Durchmessern oder VHM-­Fräsern bei kleineren Durchmessern ist Zirkularfräsen in der Regel wirtschaftlicher. Zirkularfräser haben ein breites Einsatzgebiet. Die Präzisionswerkzeuge eignen sich besonders für die Prozesse Nutfräsen, Bohrzirkularfräsen, Gewindefräsen, T-Nutfräsen, Profilfräsen sowie Verzahnungsfräsen. Sie überzeugen aber auch in Sonderanwendungen wie dem Fräsen von Dichtnuten oder bei der Pleuelbearbeitung. -böh- SMM

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