Wir wissen, dass Keramik Schneidewerkzeuge eignen sich sehr gut für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl, hitzebeständigen Legierungen oder Hochtemperaturlegierungen, aber die Bediener befolgen häufig fälschlicherweise die Verarbeitungsmethoden von Hartmetall. Sie müssen diesen „Hartmetallkomplex“ entwirren und die besonderen Anforderungen der Keramikwerkzeugverarbeitung berücksichtigen. Wählen Sie je nach Verarbeitungsmaterial die geeignete Einsatzform und die Steifigkeit der Werkzeugmaschine, der Werkzeugleiste und der Vorrichtung.
Hartmetall-Werkzeugkomplex: Fehlanwendung von Keramikwerkzeugen
Hohe Temperaturen sind der Hauptfeind der Hartmetallbearbeitung. Daher reduzieren die meisten Bediener die Schnittgeschwindigkeit und erhöhen die Vorschubgeschwindigkeit. Wenn die Situation schlecht ist, reduzieren sie die Spindeldrehzahl weiter. Diese für Hartmetall am besten geeignete Bearbeitungsmethode ist jedoch genau das größte Tabu bei der Bearbeitung von Keramikwerkzeugen, da die meisten Probleme bei der Bearbeitung von Keramikwerkzeugen auf unzureichende Schnittgeschwindigkeit und übermäßige Vorschubgeschwindigkeit zurückzuführen sind.
Hohe Temperaturen wirken sich auf Keramik anders aus als auf Hartmetallfräswerkzeuge. Während des Schneidvorgangs wird das zu schneidende Material vom Scherbereich auf der Spanfläche des Werkzeugs weggedrückt, und die Schneidwärme staut sich auch in diesem Bereich. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit kann die im Scherbereich erzeugte Wärme nicht in kurzer Zeit von den Abfallspänen abgeführt werden, wodurch eine hohe Temperatur entsteht und ein Erweichungseffekt entsteht.
Schneideigenschaften von Keramikwerkzeugen
Der Schmelzpunkt von Hartmetall liegt bei etwa 1199 °C. Hohe Temperaturen können leicht zu Verformungen und Schäden an der Matrix von Hartmetalleinsätzen führen. Daher kann eine Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit häufig die angemessene Lebensdauer von Hartmetalleinsätzen gewährleisten. Der Schmelzpunkt von Keramikmaterialien liegt bei bis zu 1999 °C. Daher ist die bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erzeugte hohe Temperatur für Keramikeinsätze von Vorteil.
Die am besten geeignete Schnittgeschwindigkeit für Keramikeinsätze ist viel höher als die von Hartmetalleinsätzen. Der beim Hochgeschwindigkeitsschneiden erzeugte Hochtemperatureffekt erweicht das bearbeitete Material und verringert dadurch den Widerstand beim Schneiden erheblich. Daher kann unter denselben Bedingungen durch die Wahl von Keramikeinsätzen, die zerbrechlicher als Hartmetalleinsätze sind, problemlos die gleiche Schneidwirkung wie mit Hartmetalleinsätzen erzielt werden. Manchmal kann die Verwendung von Keramikwerkzeugen die Materialabtragsrate von Hunderten von Fuß pro Minute auf Tausende von Fuß pro Minute erhöhen.
Die richtige Kombination aus Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit schafft im Scherbereich ideale Bedingungen für Keramikeinsätze. Eine Reduzierung der Spindeldrehzahl führt jedoch zu Funkenbildung am Werkzeug, was zu einem Ausfall von Klinge und Werkzeug führt.
Das Material von Keramikeinsätzen, beschichtet oder unbeschichtet, basiert auf einer Matrix aus Siliziumnitrid oder Aluminiumoxid. Keramikwerkzeuge auf Siliziumnitridbasis weisen im Allgemeinen eine gute Zähigkeit auf und eignen sich besser zum Grobdrehen und Fräsen von schmiedbarem Gusseisen, Sphäroguss und anderen schwer zu verarbeitenden Gusseisen und hochharten Legierungen. Keramikwerkzeuge auf Siliziumnitridbasis eignen sich nicht nur sehr gut zum Bearbeiten von Gusseisen, sondern auch zum Bearbeiten von Stahlmaterialien mit einer Härte unter HRC65. Sie können beim Drehen von Walzen und bei der Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen verwendet werden, bei denen whiskerverstärkte Keramik aufgrund zu geringer Geschwindigkeit nicht verwendet werden kann. Beim Drehen und Fräsen von Gusseisen kann mit einer Oberflächenlineargeschwindigkeit von 1524 m/min die wirtschaftlichste Werkzeuglebensdauer erreicht werden.
Klassifizierung und Anwendung keramischer Werkzeugmaterialien
Keramik auf Aluminiumoxidbasis weist eine gute Verschleißfestigkeit und eine mäßige Härte auf und ist das wirtschaftlichste keramische Werkzeugmaterial. Sie sollte jedoch bei der intermittierenden, Kollisions- oder hochharten Materialbearbeitung vermieden werden. Keramik auf Aluminiumoxidbasis wird hauptsächlich zum Vorschlichten und Schlichten von Grauguss verwendet. Aufgrund der hohen Druckfestigkeit dieses Materials eignet es sich sehr gut zum Bohren von Gusseisen. Keramik auf Aluminiumoxidbasis weist jedoch eine schlechte Wärmeschockbeständigkeit auf und ist daher nicht für die Verwendung von Kühlmitteln während der Bearbeitung geeignet.
Neue Keramiken auf Aluminiumoxidbasis mit Siliziumkarbid-Einkristallen oder Whiskern (SiC) haben hohe Schmelzpunkte, hohe Festigkeit und gute chemische Stabilität, Verschleißfestigkeit und Wärmeschockbeständigkeit. Whisker erhöhen die Bruchfestigkeit von Keramikmaterialien.
Whiskerverstärkte Keramikeinsätze brechen selten oder so katastrophal wie herkömmliche Hartmetalleinsätze. Normalerweise verschleißen whiskerverstärkte Keramikeinsätze nur allmählich in einem vorhersehbaren Schadensmodus.
Whiskerverstärkte Keramik ist stärker als andere Keramikmaterialien und eignet sich sehr gut für die Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen und ähnlichen Materialien wie gehärtetem Stahl, hochhartem Gusseisen, Plasmaspritzen und Schweißoberflächenbearbeitung. Wenn beispielsweise whiskerverstärkte Keramik zur Bearbeitung von Nickellegierungen verwendet wird, kann die Grenzflächentemperatur 982 °C erreichen und die Materialabtragsrate kann mehr als das Zehnfache von Hartmetallwerkzeugen erreichen. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit eignet sich whiskerverstärkte Keramik sehr gut für intermittierendes Drehen, Fräsen und die Matrizen-/Formbearbeitung.
Aufgrund ihrer guten Beständigkeit gegen Thermoschock können whiskerverstärkte Keramikwerkzeuge zum Trockenschneiden, Nassschneiden oder zur intermittierenden Kühlung verwendet werden, ohne dass Absplitterungen oder thermische Risse befürchtet werden müssen.
Beschichtete, whiskerverstärkte Keramik eignet sich sehr gut für kontinuierliche Vorschlicht- und Schlichtvorgänge sowie ähnliche leichte und mittelintensive Vorgänge, die eine lange Werkzeuglebensdauer erfordern. Die Lebensdauer beschichteter Keramikwerkzeuge ist dreimal so hoch wie die unbeschichteter Keramikwerkzeuge, sie sind jedoch nicht für die Verarbeitung unter rauen Bedingungen wie Fräsen und intermittierendes Schneiden geeignet.
Keramikwerkzeuge werden für die Bearbeitung von Titanmetallen nicht empfohlen. Titan hat einen sehr niedrigen Zündpunkt und bei der Bearbeitung mit Keramikwerkzeugen entstehen zwangsläufig hohe Temperaturen, die leicht Brände verursachen können.
Klemm- und Steifigkeitsanforderungen für Keramikwerkzeuge
Die Steifigkeit der Werkzeugleiste ist ebenso wichtig wie die Steifigkeit der Werkzeugmaschine. In einer Umgebung mit hohem Volumen müssen Keramikeinsätze auf spezielle Werkzeugleisten geklemmt werden, die verhindern, dass die Einsätze kleine Bewegungen ausführen. Die Steifigkeit der Werkzeugleiste ist insbesondere beim Drehen mit langen Überhängen wichtig. Große Überhänge erleichtern es der Werkzeugleiste, beim Hochgeschwindigkeitsschneiden kleine Auslenkungen zu erzeugen, und Auslenkungen verursachen Vibrationen, die das Keramikwerkzeug beschädigen. Daher sollte die Überhanglänge der Werkzeugleisten für Keramikeinsätze so kurz wie möglich sein, da die durch die Auslenkung der Werkzeugleiste erzeugte Kraft kubisch mit der Länge des Überhangs zunimmt. Das heißt, wenn andere Bedingungen unverändert bleiben, vergrößert sich der Überhang der Werkzeugleiste um das 1-fache und die Auslenkung der Werkzeugleiste auf das 8-fache des vorherigen.
Bohrwerkzeugstangen haben normalerweise ein größeres Seitenverhältnis als Außendrehwerkzeugstangen, daher ist es sinnvoll, Bohrstangen aus Schwermetall und Hartmetall zu verwenden. Im Allgemeinen können Nickelbasislegierungen mit Stahlbohrwerkzeugen mit einem Seitenverhältnis von 3, Schwermetallbohrwerkzeugen mit einem Seitenverhältnis von 5 (z. B. Schwermetall-Antivibrationswerkzeugstangen) und Hartmetallbohrwerkzeugen mit einem Seitenverhältnis von 7 bearbeitet werden.
