CNC-Fräswerkzeug Verschleiß ist eine der grundlegendsten Ursachen bei der spanenden Bearbeitung. Die Definition und das Verständnis von Werkzeugverschleiß können Werkzeugherstellern und -anwendern dabei helfen, die Werkzeuglebensdauer zu verlängern. Die heutigen Werkzeugbeschichtungstechnologien bieten eine effektive Möglichkeit, die Werkzeuglebensdauer weiter zu verlängern und gleichzeitig die Produktivität deutlich zu steigern.
Verschleißmechanismus für CNC-Bearbeitungswerkzeuge
Wärme und Reibung sind Energieformen, die beim Metallschneiden entstehen. Die durch hohe Oberflächenbelastungen und die hohe Geschwindigkeit des Spans, der entlang der Spanfläche des Werkzeugs gleitet, erzeugte Wärme und Reibung stellen für das Werkzeug eine sehr anspruchsvolle Bearbeitungsumgebung dar.
Die Größe der Schnittkräfte schwankt je nach den unterschiedlichen Bearbeitungsbedingungen (z. B. Vorhandensein harter Komponenten im Werkstückmaterial oder unterbrochener Schnitte). Um seine Festigkeit bei hohen Schnitttemperaturen aufrechtzuerhalten, muss das Werkzeug daher einige grundlegende Eigenschaften aufweisen, darunter hervorragende Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und hohe Härte.
Obwohl die Schnitttemperatur an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück der Schlüsselfaktor ist, der die Verschleißrate fast aller Werkzeugmaterialien bestimmt, ist es sehr schwierig, den Parameterwert zu bestimmen, der zur Berechnung der Schnitttemperatur erforderlich ist. Die Ergebnisse von Schnitttestmessungen können jedoch die Grundlage für einige empirische Methoden bilden.
Man kann allgemein davon ausgehen, dass die beim Schneiden erzeugte Energie in Wärme umgewandelt wird und normalerweise 80 % dieser Wärme von den Spänen abgeführt werden (dieser Anteil variiert in Abhängigkeit von mehreren Faktoren – insbesondere der Schnittgeschwindigkeit). Die restlichen etwa 20 % werden auf das Werkzeug übertragen. Selbst beim Schneiden von mittelhartem Stahl kann die Werkzeugtemperatur 550 °C überschreiten. Dies ist die maximale Temperatur, die Schnellarbeitsstahl aushalten kann, ohne dass seine Härte abnimmt. Beim Schneiden von gehärtetem Stahl mit Werkzeugen aus polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) übersteigt die Temperatur des Werkzeugs und der Späne normalerweise 1000 °C.
Schneidwerkzeugverschleiß und Werkzeuglebensdauer
Zu Werkzeugverschleiß zählen im Allgemeinen die folgenden Arten: Flankenverschleiß, Riefenverschleiß, Kolkverschleiß, Abstumpfung der Schneide, Ausbrechen der Schneide, Risse an der Schneide, Totalausfall.
Es gibt keine allgemein akzeptierte Definition der Werkzeuglebensdauer, die normalerweise von verschiedenen Werkstücken und Werkzeugmaterialien sowie verschiedenen Schneidprozessen abhängt. Eine Möglichkeit, den Endpunkt der Werkzeuglebensdauer quantitativ zu analysieren, besteht darin, eine akzeptable maximale Freiflächenverschleißgrenze festzulegen (bezeichnet mit VB oder VBmax). Die Werkzeuglebensdauer kann durch Taylors Formel für die erwartete Werkzeuglebensdauer ausgedrückt werden, d. h.
VcTn=C
Eine häufigere Form dieser Formel ist
VcTn×Dxfy=C
Dabei ist Vc die Schnittgeschwindigkeit, T die Standzeit, D die Schnitttiefe, f die Vorschubgeschwindigkeit. x und y werden experimentell ermittelt, n und C sind experimentell oder anhand veröffentlichter technischer Daten ermittelte Konstanten, die die Eigenschaften des Werkzeugmaterials, des Werkstücks und der Vorschubgeschwindigkeit darstellen.
Die kontinuierliche Entwicklung optimaler Werkzeugsubstrate, Beschichtungen und Schneidkantenvorbereitungstechnologien ist unerlässlich, um den Werkzeugverschleiß zu begrenzen und hohen Schneidtemperaturen standzuhalten. Diese Faktoren bestimmen zusammen mit dem Spanbrecher und dem Eckenbogenradius der Wendeschneidplatte die Eignung jedes Werkzeugs für unterschiedliche Werkstücke und Schneidvorgänge. Die beste Kombination all dieser Faktoren kann die Werkzeuglebensdauer verlängern und Schneidvorgänge wirtschaftlicher und zuverlässiger machen.
Wechseln der Werkzeugbasis
Durch Veränderung der Partikelgröße von Wolframkarbid im Bereich von 1-5 µm können Werkzeughersteller die Matrixeigenschaften von Hartmetallwerkzeugen verändern. Die Partikelgröße des Grundmaterials spielt eine wichtige Rolle für die Schneidleistung und die Werkzeuglebensdauer. Je kleiner die Partikelgröße, desto besser ist die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs. Im Gegenteil, je größer die Partikelgröße, desto stärker und zäher ist das Werkzeug. Die feinkörnige Matrix wird hauptsächlich für Klingen verwendet, die Materialien in Luft- und Raumfahrtqualität verarbeiten (wie Titanlegierungen, Inconel-Legierungen und andere Hochtemperaturlegierungen).
Darüber hinaus kann durch eine Erhöhung des Kobaltgehalts von Hartmetall-Werkzeugmaterialien um 6%-12% eine bessere Zähigkeit erreicht werden. Daher kann der Kobaltgehalt angepasst werden, um die Anforderungen eines bestimmten Schneidprozesses zu erfüllen, unabhängig davon, ob es sich bei dieser Anforderung um Zähigkeit oder Verschleißfestigkeit handelt.
Die Leistung der Werkzeugmatrix kann auch durch die Bildung einer kobaltreichen Schicht nahe der Außenfläche oder durch selektives Hinzufügen anderer Legierungselemente (wie Titan, Tantal, Vanadium, Niob usw.) zum Hartmetallmaterial verbessert werden. Die kobaltreiche Schicht kann die Schneidkantenfestigkeit erheblich erhöhen und so die Leistung von Schrupp- und unterbrochenen Schneidwerkzeugen verbessern.
Darüber hinaus werden bei der Auswahl einer Werkzeugmatrix, die zum Werkstückmaterial und zur Verarbeitungsmethode passt, fünf weitere Matrixeigenschaften berücksichtigt – Bruchzähigkeit, Querbruchfestigkeit, Druckfestigkeit, Härte und Thermoschockbeständigkeit. Wenn beispielsweise bei einem Hartmetallwerkzeug Absplitterungen entlang der Schneide auftreten, sollte ein Grundmaterial mit höherer Bruchzähigkeit verwendet werden. Im Falle eines direkten Versagens oder einer Beschädigung der Schneide des Werkzeugs besteht die mögliche Lösung darin, ein Grundmaterial mit höherer Querbruchfestigkeit oder höherer Druckfestigkeit zu verwenden. Für Bearbeitungssituationen mit höheren Schnitttemperaturen (wie Trockenschneiden) sollten normalerweise Werkzeugmaterialien mit höherer Härte bevorzugt werden. In Bearbeitungssituationen, in denen thermische Risse im Werkzeug beobachtet werden können (am häufigsten beim Fräsen), wird empfohlen, Werkzeugmaterialien mit besserer Thermoschockbeständigkeit zu verwenden.
Durch Optimierung und Verbesserung des Werkzeuggrundmaterials kann die Schneidleistung des Werkzeugs verbessert werden. Beispielsweise weist das Grundmaterial der Sumo Tec-Sägeblattsorte von Iscar zur Bearbeitung von Stahlteilen eine bessere Beständigkeit gegen plastische Verformung auf, was die Möglichkeit von Mikrorissen in der harten und spröden Klingenbeschichtung verringern kann. Durch die sekundäre Verarbeitung von Sumo Tec-Klingen werden die Oberflächenrauheit und Mikrorisse ihrer Beschichtung verringert, wodurch die Schnittwärme auf der Klingenoberfläche und die daraus resultierende plastische Verformung und Mikrorisse verringert werden. Darüber hinaus weist eine neue Basis für Einsätze zur Bearbeitung von Gusseisen eine bessere Hitzebeständigkeit auf, was höhere Schnittgeschwindigkeiten ermöglicht.
Wählen Sie die richtige Beschichtung
Beschichtungen tragen auch dazu bei, die Schneidleistung des Werkzeugs zu verbessern. Zu den aktuellen Beschichtungstechnologien gehören:
- Titannitrid-Beschichtung (TiN): Dies ist eine PVD- und CVD-Beschichtung für allgemeine Zwecke, die die Härte und Oxidationstemperatur des Werkzeugs erhöhen kann.
- Titancarbonitrid-Beschichtung (TiCN): Durch die Zugabe des Kohlenstoffelements zu TiN werden die Härte und die Oberflächenbeschaffenheit der Beschichtung verbessert.
- Titanaluminiumnitrid- (TiAlN) und Titanaluminiumnitrid- (AlTiN)-Beschichtungen: Die kombinierte Anwendung einer Aluminiumoxidschicht (Al2O3) und dieser Beschichtungen kann die Standzeit von Werkzeugen bei Hochtemperatur-Schneidprozessen verbessern. Aluminiumoxidbeschichtungen eignen sich besonders für trockenes und nahezu trockenes Schneiden. AlTiN-Beschichtungen haben einen höheren Aluminiumgehalt und eine höhere Oberflächenhärte als TiAlN-Beschichtungen mit höherem Titangehalt. AlTiN-Beschichtungen werden häufig für Hochgeschwindigkeitsschneiden verwendet.
- Chromnitrid (CrN)-Beschichtung: Diese Beschichtung verfügt über bessere Antihafteigenschaften und ist die bevorzugte Lösung zur Bekämpfung von Aufbauschneidenbildung.
- Diamantbeschichtung: Eine Diamantbeschichtung kann die Schneidleistung von Werkzeugen zur Bearbeitung von Nichteisenmetallen deutlich verbessern und eignet sich sehr gut zur Bearbeitung von Graphit, Metallmatrixverbundwerkstoffen, Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt und anderen stark abrasiven Materialien. Eine Diamantbeschichtung ist jedoch nicht zur Bearbeitung von Stahlteilen geeignet, da ihre chemische Reaktion mit Stahl die Haftung zwischen der Beschichtung und dem Substrat zerstört.
In den letzten Jahren ist der Marktanteil von PVD-beschichteten Werkzeugen gestiegen und ihr Preis ist mit dem von CVD-beschichteten Werkzeugen vergleichbar. Die Dicke einer CVD-Beschichtung beträgt normalerweise 5–15 µm, während die Dicke einer PVD-Beschichtung etwa 2–6 µm beträgt. Beim Auftragen auf ein Werkzeugsubstrat erzeugen CVD-Beschichtungen unerwünschte Zugspannungen; PVD-Beschichtungen tragen zu vorteilhaften Druckspannungen auf dem Substrat bei. Dickere CVD-Beschichtungen verringern häufig die Festigkeit der Werkzeugschneidkanten erheblich. Daher können CVD-Beschichtungen nicht bei Werkzeugen verwendet werden, die sehr scharfe Schneidkanten erfordern.
Durch den Einsatz neuer Legierungselemente im Beschichtungsprozess können die Haftung und Beschichtungsleistung der Beschichtung verbessert werden.
Schneidkantenvorbereitung
In vielen Fällen ist die Vorbereitung der Schneide (oder Kantenpassivierung) der Wendeschneidplatte zum Wendepunkt geworden, der über Erfolg oder Misserfolg des Bearbeitungsprozesses entscheidet. Die Parameter des Passivierungsprozesses müssen entsprechend den spezifischen Verarbeitungsanforderungen bestimmt werden. Beispielsweise unterscheiden sich die Anforderungen an die Kantenpassivierung der Wendeschneidplatte für die Hochgeschwindigkeitsschlichtbearbeitung von Stahlteilen von denen der Wendeschneidplatte für die Schruppbearbeitung. Die Kantenpassivierung kann bei Wendeschneidplatten für die Bearbeitung fast aller Arten von Kohlenstoffstahl oder legiertem Stahl angewendet werden, ihre Anwendung ist jedoch etwas auf Wendeschneidplatten für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl und Sonderlegierungen beschränkt. Der Grad der Passivierung kann so gering wie 0,007 mm oder so groß wie 0,05 mm sein. Um die Schneide bei rauen Bearbeitungsbedingungen zu verbessern, kann die Kantenpassivierung auch ein winziges T-Rippenband bilden.
Im Allgemeinen erfordern Wendeschneidplatten für kontinuierliche Dreh- und Fräsvorgänge der meisten Stähle und Gusseisen einen hohen Grad an Kantenpassivierung. Der Grad der Passivierung hängt von der Hartmetallsorte und der Art der Beschichtung (CVD- oder PCD-Beschichtung) ab. Für Wendeschneidplatten mit stark unterbrochenen Schneidvorgängen ist eine starke Kantenpassivierung oder die Verarbeitung von T-Rippenbändern zur Voraussetzung geworden. Je nach Art der Beschichtung kann der Grad der Passivierung bei etwa 0,05 mm liegen.
Da Wendeschneidplatten für die Bearbeitung von rostfreiem Stahl und hochwarmfesten Legierungen dagegen anfällig für Aufbauschneiden sind, muss die Schneide scharf bleiben und kann nur leicht passiviert werden (nur 0,01 mm), oder es kann sogar eine geringere Passivierungsmenge angepasst werden. Ebenso erfordern Wendeschneidplatten für die Bearbeitung von Aluminiumlegierungen scharfe Schneidkanten. Spiralförmige Schneidkanten können größeren Schnittlasten standhalten, höhere Metallabtragsraten erzielen und die Belastung reduzieren. Ein weiterer Vorteil spiralförmiger Schneidkanten besteht darin, dass sie die Werkzeuglebensdauer verlängern können, da der Schnittdruck und die auf das Werkzeug wirkende Schnittwärme reduziert werden.
