Derzeit werden bei der Herstellung von Industrieteilen immer häufiger verschiedene schwer zu verarbeitende Materialien wie gehärteter Stahl, superhartes Sintermetall, hitzebeständige Superlegierungen, bimetallische Materialien usw. verwendet. Obwohl Teile aus solchen Materialien hervorragende Leistungen erzielen können, bringen sie auch ein Problem mit sich: Wie lässt sich die endgültige Formgebung der Teile zu angemessenen Kosten pro Stück erreichen?
Glücklicherweise haben die Anbieter von CNC-Schneidwerkzeugen erfolgreich verschiedene neue Schneideinsätze zum Fräsen und Drehen schwer zu bearbeitender Materialien entwickelt. Wie zum Beispiel beschichtete Hartmetalleinsätze, Metallkeramikeinsätze, CBN-Einsätze, PCD-Einsätze usw. Diese neuen Materialeinsätze verwenden spezielle Geometrien und Oberflächenbeschichtungen, weisen eine hervorragende Verschleißfestigkeit auf und können während der Verarbeitung mechanischen und thermischen Schocks standhalten. Um diese Schneideinsätze jedoch sinnvoll und effektiv in der Produktion einsetzen zu können, ist eine enge Zusammenarbeit mit Werkzeuglieferanten erforderlich, die über Fachwissen verfügen.
Da die Kosten für Schneideinsätze relativ niedrig sind (im Allgemeinen machen Hartmetalleinsätze nur 31 TP3T der gesamten Verarbeitungskosten aus, während CBN-Einsätze 51 TP3T bis 61 TP3T der gesamten Verarbeitungskosten ausmachen), ist es möglicherweise nicht kosteneffizient, blind billigere Einsätze zu wählen, um Verarbeitungskosten zu sparen. Obwohl Einsätze aus neuem Material teurer sind, können sie die Verarbeitungszeit verkürzen, die Standzeit des Werkzeugs verlängern und die Produktqualität verbessern, sodass sie möglicherweise eine bessere Wirtschaftlichkeit aufweisen.
Andererseits kann die blinde Auswahl neuer Materialeinsätze ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Verarbeitungsanforderungen auch die Verarbeitungskosten erhöhen (der Preis von CBN-Einsätzen kann 8- bis 10-mal so hoch sein wie der von Hartmetalleinsätzen). Darüber hinaus werden bei Verwendung neuer Materialeinsätze auch die Qualität der Werkstückverarbeitung und die Werkzeuglebensdauer beeinträchtigt, wenn falsche Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten verwendet werden. Daher ist es bei der Auswahl von Schneideinsätzen für schwer zu verarbeitende Materialien erforderlich, die Wirtschaftlichkeit der Verarbeitung richtig zu bewerten und den gesamten Verarbeitungsprozess umfassend zu berücksichtigen.
Welche Faktoren sollten bei der Auswahl von Schneideinsätzen berücksichtigt werden?
Bei der Auswahl von Schneideinsätzen muss die gesamte Bearbeitungsaufgabe bewertet werden. Unter der Voraussetzung, dass die Anforderungen an die Maßgenauigkeit und Oberflächengüte des Werkstücks erfüllt werden und die Bearbeitungszeit und der Austausch der Einsätze berücksichtigt werden, können die relativ preisgünstigen Hartmetalleinsätze eine bessere Bearbeitungsökonomie erzielen. Durch genaues Verständnis und umfassendes Abwägen der Produktionscharge, der Bearbeitungszeit und der Leistung der Einsätze können die Schneideinsätze sinnvoll ausgewählt werden, um den Bearbeitungseffekt einer Verbesserung der Produktivität zu erzielen.
Am Beispiel des Fräsens von Gasturbinenschaufeln aus gesintertem Titankarbid lassen sich bei kleinen Losgrößen der Werkstücke durch den Einsatz beschichteter Hartmetalleinsätze ebenfalls bessere Bearbeitungsergebnisse erzielen. Bei einer Schnittgeschwindigkeit von 35 m/min beträgt die Standzeit der Schneidkante von Hartmetalleinsätzen nur 5 bis 10 Minuten, während für die großflächige Bearbeitung schwer zu bearbeitender Werkstücke eine angemessene Standzeit von 15 bis 30 Minuten erforderlich ist. Bei der Bearbeitung kleiner Losgrößen sind die Auswirkungen einer kürzeren Standzeit und eines häufigeren Austauschs der Einsätze auf die Produktivität nicht offensichtlich; bei der großflächigen Volllastbearbeitung ist eine längere Standzeit jedoch von entscheidender Bedeutung, um die Nebenzeiten beim Werkzeugwechsel zu verkürzen, die Arbeitsintensität zu verringern und die Auslastung der Werkzeugmaschinen sowie die Produktionskapazität zu verbessern. Daher kann es bei großen Losgrößen der Turbinenschaufeln sinnvoller sein, CBN-Einsätze mit höherer Härte und höherem Preis zu verwenden.
Um die Schneidleistung von Wendeschneidplatten aus modernen Werkstoffen voll auszunutzen, müssen auch der richtige Vorschub und die richtige Schnittgeschwindigkeit gewählt werden. Am Beispiel von CBN-Wendeschneidplatten wurden die Schneidkanten dieser Wendeschneidplatten verstärkt und passiviert, wodurch ein Absplittern beim Schneiden von Werkstückmaterialien mit einer Härte von >50HRC wirksam vermieden werden kann. Obwohl CBN-Wendeschneidplatten eine ausgezeichnete Zähigkeit aufweisen, ist die Auswahl der Schnittparameter dennoch sehr streng. Wenn die gewählte Schnittgeschwindigkeit 10% höher oder niedriger als der Idealwert ist, kann die Schneidleistung der Wendeschneidplatten stark reduziert sein.
Um das Schneiden schwer zu bearbeitender Materialien umzusetzen, können Sie technische Unterstützung von professionellen Werkzeuglieferanten in Anspruch nehmen, die auf der Grundlage anderer ähnlicher Verarbeitungsbeispiele angemessene Lösungen anbieten können. Wenn Schneidtests erforderlich sind, können normalerweise Versuch-und-Irrtum-Methoden verwendet werden, d. h. zuerst mit Hartmetalleinsätzen schneiden und dann zum Vergleichsschneiden auf neue Materialeinsätze umsteigen, um die Verarbeitungseffekte verschiedener Einsätze zu vergleichen. Fortschrittliche Einsatzformen, hochsteife Werkzeughalter und optimierte Verarbeitungsverfahren können normalerweise dazu führen, dass preisgünstigere Hartmetalleinsätze zum Schneiden schwer zu bearbeitender Materialien geeignet sind. Ob Einsätze durch neue Materialien ersetzt werden müssen, sollte anhand der spezifischen Verarbeitungsaufgaben und Verarbeitungsbedingungen bestimmt werden. Für die gleiche Kategorie schwer zu bearbeitender Materialien gibt es normalerweise bestimmte Gemeinsamkeiten bei der Auswahl der Schneideinsätze.
Heutzutage werden für viele Werkstücke aus legiertem Stahl immer höhere Anforderungen an die Härte gestellt. In der Vergangenheit betrug die Anwendungshärte von Werkzeugstahl normalerweise 45 HRC, aber heute muss der in der Formenindustrie verwendete Werkzeugstahl im Allgemeinen auf 63 HRC gehärtet werden. Um Verformungen durch die Wärmebehandlung zu vermeiden, müssen einige Formen, die früher nur vor der Wärmebehandlung geschnitten werden konnten, in einem vollständig gehärteten Zustand präzise gefräst werden. Beim Fräsen von vollständig gehärtetem Stahl können die entstehende Schneidwärme und der Schneiddruck zu einer plastischen Verformung der Schneideinsätze führen und dazu führen, dass die Einsätze schnell versagen. Wenn beispielsweise gehärteter Stahl mit einer Härte von 60 HRC fräst (die Härte der Hartmetallpartikel im Material kann 90 HRC erreichen), kommt es bei gewöhnlichen beschichteten Hartmetalleinsätzen zu einem schnellen Verschleiß der Rückseite
Obwohl gehärteter Stahl schwer zu schneiden ist, können vollständig gehärtete Stahlwerkstücke mit Hartmetalleinsätzen wirtschaftlich bearbeitet werden. Am Beispiel der Bearbeitung von Teilen für die Luft- und Raumfahrt wurde die sekundäre Lochbearbeitung von großen Schmiedestücken aus gehärtetem 3000M-Stahl (modifizierter 4340) erfolgreich abgeschlossen, nachdem die ursprünglichen Cermet-Einsätze durch Hartmetalleinsätze ersetzt wurden. Der größte Teil der Bearbeitungszugabe des bearbeiteten Lochs wurde vor der Wärmebehandlung entfernt (Materialhärte 30 bis 32 HRC), aber um die Verformung durch die Wärmebehandlung zu korrigieren, müssen Präzisionslöcher an solchen großen Werkstücken nach dem Werkstück vollständig gehärtet werden (Härte erreicht 54 bis 55 HRC) ) für den sekundären Schnitt. Da sich das zu bearbeitende Loch tief im Werkstück befindet, erschwert die spezielle Werkstücktopographie die Bearbeitung ziemlich, sodass drei Schnittdurchgänge erforderlich sind, um die erforderliche Maßgenauigkeit und Oberflächengüte zu erreichen.
Die hohe Härte des Materials in Verbindung mit der intermittierenden Schneidmethode führt dazu, dass die Schneidkante der ursprünglichen Cermet-Einsätze kollabiert und unwirksam wird, bevor ein einziger Schnittdurchgang abgeschlossen ist. Die kollabierten Einsätze können das Risiko einer Verschrottung des Werkstücks verursachen. Nach der Umstellung auf PVD-beschichtete feinkörnige Hartmetalleinsätze werden die Zähigkeit und Schärfe des Werkzeugs erheblich verbessert und der Schnitt kann in 6 bis 9 Durchgängen erfolgreich abgeschlossen werden. Nach der Umstellung auf Hartmetalleinsätze empfahl der Werkzeuglieferant, die Schnittgeschwindigkeit von ursprünglich 90 m/min auf 53 m/min zu reduzieren, die Schnitttiefe blieb jedoch unverändert. Nach der Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit dauert es etwa 20 Minuten, um die drei Schnittdurchgänge des Lochs mit Hartmetalleinsätzen abzuschließen, während die Bearbeitung mit Cermet-Werkzeugen ursprünglich mehr als eine Stunde dauerte. Noch wichtiger ist, dass dies die Sicherheit der Schneidkante der Hartmetalleinsätze erhöht und das Risiko einer Verschrottung teurer Werkstücke durch Werkzeugabsplitterungen erheblich verringert.
Um vernünftige Schnittparameter für Hartmetalleinsätze zum Fräsen von gehärtetem Stahl zu erhalten, können Werkzeugschneidtests durchgeführt werden. Während des Probeschneidens kann die Schnittgeschwindigkeit normalerweise zwischen 30 m/min und 45–55 m/min gewählt werden; die Vorschubgeschwindigkeit beträgt normalerweise 0,075–0,1 mm/Zahn. Im Allgemeinen sind Einsätze mit einem Spanwinkel von null oder einem kleinen negativen Spanwinkel stärker als solche mit einem positiven Spanwinkel. Beim Bearbeiten von gehärtetem Stahl ist es auch vorteilhafter, runde Hartmetalleinsätze zu verwenden, da runde Einsätze eine höhere Festigkeit aufweisen und die stumpfe Schneidkante nicht so leicht bricht.
Bei der Auswahl von Hartmetall-Einsatzsorten sollten Sie hochzähe Sorten in Betracht ziehen. Die Schneidkantensicherheit solcher Einsätze ist besser und sie können der großen radialen Schnittkraft und den starken Ein- und Ausschneidekräften beim Schneiden von gehärtetem Stahl standhalten. Darüber hinaus können speziell entwickelte Hartmetallsorten für hohe Temperaturen der großen Schnittwärme standhalten, die beim Schneiden von gehärtetem Stahl (HRC60) entsteht. Schlagfeste Hartmetalleinsätze mit einer Aluminiumoxidbeschichtung können auch den hohen Temperaturen standhalten, die beim Fräsen von gehärtetem Stahl entstehen.
ICHeinfügen PVerarbeitung Powder Alloy
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Pulvermetallurgie-Technologie tauchen in einem endlosen Strom verschiedener superharter Sintermetalle (Pulverlegierungen) auf, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden. Beispielsweise hat ein Hersteller eine zusammengesetzte Pulvernickellegierung entwickelt, die Wolframkarbid- (WC) oder Titankarbid- (TiC) Partikel mit einer Härte von 53-60 HRC enthält, und die Härte der Karbidpartikel in der Nickellegierungsmatrix kann 90 HRC erreichen. Beim Fräsen dieses Materials verschleißen die beschichteten Hartmetalleinsätze bald die Rückseite und die Hauptschneide wird flach. Die superharten Partikel in der Mikrostruktur des Materials verursachen „Mikrovibrationen“, was zu einem beschleunigten Verschleiß der Einsätze führt. Die beim Schneiden des Werkstücks erzeugte Scherspannung kann auch zum Brechen der Hartmetalleinsätze führen.
Die Verwendung von CBN-Einsätzen kann das Schneidproblem von harten Pulverlegierungsmaterialien, die Wolframkarbid- und Titankarbidpartikel enthalten, besser lösen. Die verbesserte Einsatzgeometrie kann das Phänomen der „Mikrovibration“ wirksam überwinden. Als ein Benutzer ein Werkstück aus einer Verbundpulverlegierung fräste, stellte er fest, dass die Verarbeitungslebensdauer der neuen CBN-Einsätze mehr als 2.000 Mal länger war als die der besten Hartmetalleinsätze. Schneidtests haben gezeigt, dass die Bearbeitungseffizienz von harten Pulverlegierungsmaterialien (Schnittgeschwindigkeit 60 m/min, Vorschubgeschwindigkeit 0,18 mm/Kante) durch 75% im Vergleich zur elektrischen Entladungsbearbeitung (Drahtschneiden) durch Verwendung eines Planfräsers, der mit 5 CBN-Einsätzen ausgestattet ist, gesteigert werden kann.
Um die beste Leistung von CBN-Wendeschneidplatten voll auszunutzen, müssen die Schnittparameter innerhalb eines angemessenen Bereichs streng kontrolliert werden. Obwohl die Schnittgeschwindigkeit von etwa 50 m/min und die Vorschubgeschwindigkeit von 0,1–0,15 mm/Zahn nicht hoch sind, können sie bei der Verarbeitung von Pulverlegierungsmaterialien eine hohe Produktivität erreichen. Die optimalen Schnittparameter können durch einen 30–60 Sekunden dauernden Probeschnitt genau bestimmt werden. Während des Probeschnitts können Sie mit einer niedrigen Geschwindigkeit beginnen und die Schnittgeschwindigkeit schrittweise erhöhen, bis die Schneidkante der Wendeschneidplatte übermäßig abgenutzt ist.
Bei der Bearbeitung schwer zu bearbeitender Materialien sollte grundsätzlich Trockenschnitt verwendet werden, um die Temperatur der Schneidkante des Einsatzes konstant zu halten. In den meisten Fällen hat ein kreisförmiges Werkzeug mit einer doppelten negativen Winkelgeometrie den besten Bearbeitungseffekt, und die Schnitttiefe sollte normalerweise auf 1-2 mm eingestellt werden.
Fräsen ist ein unterbrochener Schneidprozess. Während der Bearbeitung verursacht der kontinuierliche Aufprall von Werkstückmaterialien mit einer Härte von 60 HRC oder mehr auf das Werkzeug enorme Bearbeitungsbelastungen. Um beim Fräsen eine ausreichend hohe Schlagfestigkeit zu gewährleisten, müssen die Bearbeitungsmaschine und das Werkzeugsystem daher die höchste Steifigkeit, die kleinste Überhanglänge und die größte Festigkeit aufweisen.
Wendeschneidplatten für die Bearbeitung hitzebeständiger Superlegierungen
Hitzebeständige Superlegierungen (HRSAs), die für die Luft- und Raumfahrtindustrie entwickelt wurden, werden heute zunehmend in der Automobil-, Medizin-, Halbleiter-, Stromerzeugungs- und anderen Industrien eingesetzt. Zusätzlich zu den üblichen hitzebeständigen Superlegierungssorten (wie Inconel 718/625, Waspalloy, 6A14V-Titanlegierung usw.) wurden eine Vielzahl neuer Legierungen auf Titanbasis sowie Legierungen auf Aluminium- und Magnesiumbasis entwickelt. Alle hitzebeständigen Superlegierungen gehören zur Kategorie der schwer zu bearbeitenden Materialien.
Superlegierungen haben eine hohe Härte, und die Verarbeitungshärte einiger Titanlegierungen erreicht 330 HB. Bei gewöhnlichen Legierungen erweichen die molekularen Bindungsketten im Material, wenn die Temperatur in der Schneidzone über 1100 °C liegt, und es entsteht eine Fließzone, die die Spanbildung begünstigt. Im Gegensatz dazu ermöglicht die hervorragende Hochtemperaturbeständigkeit hitzebeständiger Superlegierungen, dass sie während des gesamten Schneidprozesses eine hohe Härte beibehalten.
Hitzebeständige Superlegierungen neigen außerdem dazu, beim Schneiden kalt auszuhärten, was leicht zu vorzeitigem Absplittern und zum Versagen der Schneideinsätze führen kann. Beim Schneiden bildet sich auf der Schnittfläche des Werkstücks eine verschleißfeste kalt ausgehärtete Zunderschicht, die zu einem schnellen Verschleiß der Schneidkante des Einsatzes führt.
Da Superlegierungen schwer zu bearbeiten sind, werden bei der Bearbeitung normalerweise niedrigere Schnittgeschwindigkeiten verwendet. Beispielsweise beträgt die Schnittgeschwindigkeit beim Fräsen von Bremskeil aus Superlegierung Inconel 718 mit Hartmetalleinsätzen 60 m/min; die Schnittgeschwindigkeit beim Außenrund-/Enddrehen von Inconel 718 mit CBN-Einsätzen beträgt 80 m/min. Im Gegensatz dazu kann die Schnittgeschwindigkeit beim Schneiden von Werkzeugstahl mit unbeschichteten Hartmetalleinsätzen im Allgemeinen 120–240 m/min erreichen. Die Vorschubgeschwindigkeit beim Schneiden von Superlegierungen entspricht normalerweise der Vorschubgeschwindigkeit beim Schneiden von Werkzeugstahl.
Bei der Bearbeitung von Superlegierungen hängt die Wahl der Schneideinsätze hauptsächlich vom zu bearbeitenden Material und der Art des Werkstücks ab. Um die Bearbeitungseffizienz zu verbessern, können bei der Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke Hartmetalleinsätze mit positiven Spanwinkel-Schneidkanten verwendet werden, während bei der Bearbeitung dickwandiger Werkstücke Keramikeinsätze mit negativen Spanwinkel-Schneidkanten erforderlich sind, um den „Pflugeffekt“ der Einsätze beim Schneiden zu verbessern. Bei den meisten schwer zu bearbeitenden Materialien sollte das Trockenschneiden bevorzugt werden, um die Temperatur der Schneidkante des Einsatzes konstant zu halten. Bei der Bearbeitung von Titanlegierungen muss jedoch selbst bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten Kühlmittel verwendet werden.
Da hitzebeständige Superlegierungen beim Schneiden eine hohe Härte beibehalten, wird der Verschleiß des abgeschrägten Endes der Schneideinsätze beschleunigt. Die Verwendung runder Einsätze mit stumpfen Schneidkanten kann die Festigkeit der Schneidkante erheblich verbessern, aber die Tendenz zur Kaltverfestigung von Superlegierungen kann zu stärkerem Absplittern der Einsätze führen. Durch Ändern der Schnitttiefe während mehrerer aufeinanderfolgender Durchgänge können die Einsätze die auf der Oberfläche des Werkstücks gebildete Kaltverfestigungsschicht vermeiden, wodurch das Absplittern der Einsätze verringert und die Lebensdauer der Schneidkante verlängert wird. Die Schnitttiefe kann bei einem Durchgang um 7,6 mm und bei nachfolgenden Schnitten um 3,2 mm und 2,5 mm variieren.
Einsätze für Bimetall-Werkstoffe
Bimetallische Werkstoffe bestehen aus härteren Materialien, die in ausgewählten verschleißgefährdeten Bereichen platziert und dann mit anderen weicheren Legierungsmaterialien umgeben (oder vermischt) werden. Bimetallische Werkstoffe werden in der Automobilindustrie und anderen Branchen zunehmend eingesetzt, bringen aber auch besondere Verarbeitungsherausforderungen mit sich. CBN-Einsätze können harte Legierungen mit einer Härte von über 50 HRC effizient schneiden, können jedoch beim Schneiden weicher Legierungen aus bimetallischen Werkstoffen brechen. PCD-Einsätze können verschleißfeste Aluminiumlegierungen schneiden, neigen jedoch beim Schneiden von Eisenmetallen zu übermäßigem Verschleiß.
Um eine effiziente Bearbeitung von bimetallischen Werkstoffen zu erreichen, müssen Anwender, Werkzeuglieferanten und Werkzeugmaschinenhersteller gemeinsam präzise Schneidprogramme entwickeln. Beispielsweise wird ein bestimmter bimetallischer Werkstoff hergestellt, indem eine hochharte Verbundpulverlegierung durch ein heißisostatisches Pressverfahren in eine kostengünstige 316-Edelstahlmatrix eingebettet wird. Während der Bearbeitung muss das Spiralinterpolations-Werkzeugpfadprogramm kompiliert und in das Steuersystem der Werkzeugmaschine eingegeben werden, um zuerst den Teil aus dem Pulverlegierungsmaterial und dann den Matrixteil mit einer optimierten Vorschubgeschwindigkeit und Schnittgeschwindigkeit zu bearbeiten.
Um einen bimetallischen Zylinderblock aus einer Aluminiumlegierung und einer Zylinderkopfdichtung aus Gusseisen effizient zu bearbeiten, müssen Automobilhersteller sowohl die Verschleißfestigkeit der Aluminiumlegierung als auch die hohe Härte des Gusseisens überwinden. Da sich die härtere Zylinderkopfdichtung aus Gusseisen (ein verschleißanfälliges Teil) nur schwer vom weicheren Zylinderblock aus Aluminiumlegierung trennen lässt, ist die Verwendung einer separaten Bearbeitungsmethode nicht sinnvoll. Durch rationales Programmieren der Werkzeugmaschine mit sehr niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und sehr geringen Schnitttiefen können jedoch verschleißfeste PCD-Einsätze verwendet werden, um sowohl Aluminiumlegierungen als auch Gusseisen zu bearbeiten, wodurch häufige Werkzeugwechsel während des Bearbeitungsprozesses vermieden werden.
