Swissmem-Zerspanungsseminar fokussiert prozesssichere Zerspanung Schweizer Zerspaner

Redakteur: Matthias Böhm

Das «Who’s who» der Schweizer Zerspanungstechnik trifft sich alle zwei Jahre zum Erfahrungsaustausch am 10. Swissmem Zerspanungsseminar. Nach wie vor zählen die Schweizer Werkzeughersteller zu den Top-Playern im Weltmarkt. Im zweiten Teil der Berichterstattung zum Swissmem Zerspanungsseminar mit dem Thema «prozesssichere Zerspanung» werden unter anderem Beschichtungen, Hartmetallsubstrate und Kühlschmierstoffe näher unter die Lupe genommen.

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Am Swissmem-Zerspanungsseminar im Januar 2013 traf sich die Schweizer Fertigungsbranche in Winterthur, Olten und Lausanne.
Am Swissmem-Zerspanungsseminar im Januar 2013 traf sich die Schweizer Fertigungsbranche in Winterthur, Olten und Lausanne.
(Bild: Böhm)

Obwohl nur wenige Mikrometer dünn, sind Beschichtungen matchentscheidend, wenn es um hoch produktive und prozesssichere Zerspanung geht. In der modernen Fertigung kommen nur noch die wenigsten Werkzeuge ohne Beschichtung aus. Kein Wunder, denn Beschichtungen sind Funktionsflächen. Doch nur mit ordentlichem Substrat und perfekter Mikro- und Makrogeometrie können Beschichtungen ihr Potential ausschöpfen.

Der Weltmarktführer OC Oerlikon Balzers AG zeigte am Swissmem Zerspanungsseminar auf, welche Rolle funktionale Beschichtungen bei Hochleistungswerkzeugen spielen.

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Fakt ist, dass in der Schweizer Fertigungsindustrie zunehmend schwierig zu bearbeitende respektive schwer zerspanbare Werkstoffe bearbeitet werden. Prominenteste Vertreter aus dieser Gruppe sind Edelstahl, Titan, Inconel und immer häufiger auch Composite-Materialien. Materialien, die sich beim Zerspanen kaltverfestigen, die Wärme schlecht ableiten und zum Teil hoch abrasiv sind.

Hohe Anforderungen an Prozesssicherheit

Folge davon ist, dass die Anforderungen an die Prozesssicherheit zunehmend anspruchsvoller werden. Auf die Frage, welche Möglichkeiten OC Oerlikon Balzers AG heute bietet, Beschichtungen konkret auf die jeweiligen Fertigungsprozesse abzustimmen, antwortet Micheal Dietz (Segment Manager Cutting Tools, OC Oerlikon Balzers AG) differenziert: «Grundsätzlich wird in zwei Stossrichtungen gezielt hingearbeitet. Zum einen sind es die Schichteigenschaften, welche gezielt beeinflusst werden können. Hier können insbesondere Legierungselemente, Schichtstruktur, Schichtdicke und das Lagenkonzept variiert werden. So ist es möglich die Schicht an das jeweilige Anforderungsprofil anzupassen.»

Zum anderen, führt M. Dietz fort, sei der gesamte Produktionsablauf abzustimmen auf die Anwendung, auf das zu bearbeitende Material wie auch auf die Werkzeuggeometrie. «Als Beschichter müssen wir auf hohe Zuverlässigkeit inklusive Sicherheitsreserven auch unter schwierigen Bedingungen achten. Hier liegen aufgrund der gleichbleibend hohen Qualität die Stärken moderner Beschichtungen», schliesst Michael Dietz.

Komplexe Schichtaufbauten

Auf das Thema Schichtstruktur und -aufbauten ging auch der zweite Beschichter (Eifeler Swiss AG) am Swissmem Zerspanungsseminar ein. Dr. Eckart Voss (Marketing und Applikationen) machte deutlich, dass Beschichtungen generell sowohl die Reibung verringern, Standzeit verlängern, höhere Produktivität generieren als auch die Bauteiloberflächen verbessern können. Möglich ist das aber nur, wenn das Gesamtsystem – Substrat-Werkzeuge-Beschichtung-Mikro-und-Makrogeometrien – perfekt aufeinander abgestimmt ist. Hier ging Dr. E. Voss unter anderem auf die Mikrogeometrien ein, die insbesondere im Bereich der Werkzeugkanten entscheidend dazu beitragen, wie die Beschichtungen in diesem sensiblen Bereich sich ausbilden können und am Substrat haften. Die Schneidkantenverrundung spielt in diesem Fall eine entscheidende Rolle.

Schichtdicke ist mit entscheidend

Ein weiterer wichtiger Einfluss beispielsweise auf die Standzeit der Werkzeuge ist die Schichtdicke der Beschichtung. Sie bringt in einem spezifischen Bereich ihr Optimum. Ist sie zu dünn, sinkt die Standzeit, aber das gleiche passiert auch, wenn die Beschichtung zu dick ist. Nicht zuletzt aus diesem Grund müssen Beschichtungsverfahren entwickelt werden, die prozesssicher gleichmässige Beschichtungen erzeugen.

Mittels Nanostrukturierung des Schichtaufbaus besteht die Möglichkeit, die Schichten als eine Art nanostrukturierte Compound-Schicht aufzubauen, was deren Eigenschaften erheblich verbessern kann. Die Beschichtungsunternehmen setzen hier unterschiedliche Technologien ein. Fakt ist jedoch, dass es dadurch möglich ist, die Beschichtungen hoch spezifisch auf die jeweiligen Anwendungsfälle hin zu optimieren, was wesentlich zum Erfolg beiträgt.

Parameter perfekt aufeinander abstimmen

Das Unternehmen Fraisa SA gehört als Hartmetall-Schaftwerkzeughersteller zur Top-Liga. Hier präsentierte Dr. Johann Rechberger (Leiter Material und Oberflächentechnologie) die hohe Schule der Werkzeugherstellung. Auch er hob hervor, dass Beschichtungen ihre Stärke nur dann perfekt ausspielen können, wenn das Substrat und die Vorbereitung der Werkzeuge auf die Beschichtung und Zerspanungsaufgabe massgeschneidert sind. Beispielsweise müssten bei Gewindebohrern besonders hohe Ansprüche an das Gesamtsystem gestellt werden, weil hier Drehmomentspitzen auf die Prozesssicherheit enorme Auswirkungen (Werkzeugbruch) haben können.

Der letzte Schliff

Die entscheidende Rolle einer «funktionierenden» Beschichtung spielt die Vorbehandlung der Werkzeuge, hier insbesondere der «letzte Schliff». Dr. Rechberger machte klar, dass je nach Anwendung des Werkzeuges, die verschiedenen Parameter unterschiedlich aufeinander abgestimmt werden müssen. Da während des Swissmem Zerspanungsseminars praktisch alle Schweizer Mitbewerber als Besucher zugegen waren, liess sich Dr. Rechberger nicht detailliert in die Karten schauen. Ein Beispiel sei hier genannt: Beim Schleifen von Hartmetall entstehen auf der Oberfläche des Substrats Schlieren, die die Poren der Hartmetalloberfläche füllen und somit die Oberfläche glätten. Dies habe nach Aussage von Dr. Rechberger erhebliche Auswirkungen auf die spätere Prozesssicherheit. Ob dies aber ins Positive oder Negative geht, liess er offen.

Im Gespräch mit anderen Werkzeug-Experten, wurde von diesen betont, dass man diese Schlieren, die infolge der Schleifprozesse die Hartmetallporen verschliessen, vor dem Beschichten entfernen sollte. Damit würde die Haftungsfähigkeit der Beschichtungen erhöht.

Interessant: 'weicheres' Hartmetall hält länger

Dass die Schweizer Werkzeughersteller im Weltmarkt eine führende Position einnehmen, liegt nicht nur am Know-how der Beschichter und Werkzeughersteller, sondern auch an deren Hartmetall-Zulieferer. Sie sind die technologische Basis aller Hartmetallwerkzeuge. Das Schweizer Unternehmen Extramet ist eine Top-Adresse in diesem Sektor. Heinz Westermann (Leiter F&E, Extramet AG) zeigte auf, dass die richtige Auswahl des Substrats entscheidend ist, um die Standzeit und Prozesssicherheit zu erhöhen.

Generell wird die enorme Härte (800–2000 HV) des HM-Substrats durch den Anteil des Wolframcarbids beeinflusst. Die Zähigkeit wird durch das Bindemetall Cobalt, Nickel oder Eisen generiert. Die Hartmetall-Entwicklung geht in Richtung höherer Härte bei höherer Zähigkeit. Das ist aber alles andere als leicht zu realisieren. Zwar gehen die Entwicklungen stetig in diese Richtung, doch Quantensprünge sind nicht zu erwarten.

Bruchzähigkeit entscheidend

Entscheidend für die Werkzeugstandzeit ist, neben der Härte, die Bruchzähigkeit. Sie beeinflusst die Stabilität an der Schneide massgeblich. Die Bruchzähigkeit ist beim Schruppfräsen entscheidender als die Härte. Beim Schruppfräsen anspruchsvoller Werkstoffe kann es sinnvoll sein, kein Feinstkorn (bringt hohe Härte) zu verwenden, weil dadurch die Bruchzähigkeit sinken würde. Anstelle von Feinstkorn (0,8 µm Korngrösse) sollte ein 1,2-Mikrometer-Substrat eingesetzt werden: Zwar verringert sich die Härte, aber die Verschleissfestigkeit wird erhöht, weil die Bruchzähigkeit der grobkörnigen Hartmetallsubstrate grösser ist. Bei der Verwendung der gröberen Sorte konnte die Standzeit in einem Anwendungsfall sogar verdoppelt werden, obwohl die Härte des grobkörnigeren Hartmetalls deutlich geringer ist.

«Weichere» Hartmetalle z. T. die bessere Wahl

Fazit: Grobkörnigere und damit weichere Hartmetallsorten bringen für spezifische Anwendungsfälle deutlich bessere Ergebnisse. Betrachtet man zusätzlich die Rolle der Beschichtungen, die Oberflächenhärten von 2200 HV bis 3500 HV haben, können zähe Hartmetallsorten mit entsprechenden Beschichtungen gerade für Schruppbearbeitung die optimale Wahl sein.

Werkzeug Kühlschmierstoff

Der Übergang von den Hartmetall-Substraten hin zu flüssigen «Werkzeugen» ist nahezu fliessend. Das machte Nikolaus Jochum von Blaser Swisslube deutlich. Fakt ist, der richtige Kühlschmierstoff ist für eine prozesssichere Zerspanung in vielen Fällen matchentscheidend, weil durch KSS der Zerspanungsprozess besser beherrschbar wird. Insbesondere bei den schwer zerspanbaren Materialien und kritischen Operationen.

Die Wahl des richtigen KSS kann entscheidend sein, wie an folgendem Beispiel deutlich wurde: 60 % mehr Spanvolumen konnten beim Taschenfräsen von Titan (TiAl6V4) erreicht werden allein durch Änderung des KSS. Abbruchkriterium des Fräsversuchs war der Werkzeugverschleiss von > 0,2 mm.

Signifikanter Einfluss auf die Werkzeugstandzeit

Ursache für solche Leistungssteigerungen ist u. a. die Schmierung. Hier stehen die Reduzierung der Reibung und der Klebeneigung zwischen Schneid- und Werkstoff sowie Minderung der erforderlichen Kräfte (Leistung) im Fokus. Der entstehende Schmierfilm und die Ausbildung einer Triboschicht haben einen signifikanten Einfluss auf die Werkzeugstandzeit.

Eine dritte wesentliche Aufgabe kommt dem KSS im Bereich der Spülung zu. Gerade in der Hochvolumenzerspanung ist die sichere Spanabfuhr einer der ganz entscheidenden Punkte, um die Prozesssicherheit hochzuhalten. Hier hat der KSS die Aufgabe, den Abtransport der Späne aus der Zerspanungszone und dem Maschinenraum effizient zu gewährleisten.

Weitere Vorteile von KSS

Auch wenn nach wie vor viele Zerspaner von der Trockenbearbeitung träumen, liegen die Vorteile von KSS klar auf der Hand. Der KSS sorgt für die Bindung von Spänen/Partikeln, erhöht durch Wärmehaushalt eine präzise Fertigung, sorgt für eine saubere Maschine, verlängert die Werkzeugstandzeiten und sorgt schliesslich für eine Reduzierung von Nachbearbeitungsschritten. Wenn die Anwender für ihre Bearbeitung noch dazu den richtigen KSS auswählen, kann auch die Produktivität erheblich gesteigert werden.

So weit der zweite Teil zum Swissmem Zerspanungsseminar. Im dritten Teil (SMM 5/2013) werden Roll-Prozesse, Pulsplasmanitrierung und Werkzeugspannmittel in den Fokus rücken. <<

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