Fachbegriffe aus der Zerspanungstechnik

Hartmetall

Aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften sind Werkzeuge aus Hartmetall solchen aus HSS-Stahl weit überlegen. Für das HSC-Fräsen (High Speed Cutting) ist HSS nicht mehr geeignet. Deshalb sind alle Werkzeuge ganz oder teilweise aus Hartmetall. Die meisten sind Vollhartmetallwerkzeuge. Diamantwerkzeuge bestehen aus einem Hartmetallschaft mit Diamantbesatz.

Unter Hochdruck aus feinsten Pulvern gesintert

Hartmetall ist ein Sinterwerkstoff der überwiegend aus dem Hartstoff Wolframcarbid (WC) besteht. Zusätzlich können in geringem Anteil weitere Carbidphasen für eine gezielte Optimierung sorgen. Es handelt sich hierbei meist um Titan- (TiC), Tantal- (TaC), Niob- (NbC) oder Chrom- (CrC) Carbide. Der zweite Hauptbestandteil ist die Bindephase, die vorwiegend Kobalt (Co) enthält und teilweise durch Nickel (Ni), Eisen (Fe) und Nickel-Chrom (NiCr) ergänzt werden kann.

Die richtige Mischung macht’s

Härte, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit des Hartmetalls werden maßgeblich durch die Zusammenstellung seiner Inhaltsstoffe und durch die Korngröße des Hartstoffs beeinflusst. Ein steigender Wolframcarbid-Anteil – bei Zerspanungswerkzeugen liegt er meist um die 90 % – lässt Härte und Druckfestigkeit ansteigen und macht das Hartmetall verschleißfester. Relevante Korngrößen liegen im Bereich von weniger  als 0,2 μm (Nano) bis über 1,3 μm (Fein-/Mittelkorn), wobei kleinere Korngrößen ein Mehr an Härte und Biegebruchfestigkeit ergeben. Das Material wird verschleißfester. Nimmt der Anteil der Bindephase zu (vornehmlich Co um die 10 %), lässt sich die Biege-, Zug- und Schlagfestigkeit verbessern. Das Material wird „zäher“.


Diamant

Diamant

Diamant ist reiner Kohlenstoff in kristalliner Anordnung. Er besitzt im Vergleich zu anderen Schleifmitteln, wie z. B. CBN, Korund oder Siliziumkarbid eine weitaus größere Härte und damit auch eine größere Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Verschleiß. Bei großer thermischer Belastung oberhalb 800 Grad Celsius reagiert Diamant mit Luftsauerstoff zu Kohlendioxid, löst sich also buchstäblich in Luft auf. Diamant besitzt eine Reaktivität bei Kontakt mit eisenhaltigen Werkstoffen, die zur Umwandlung in Graphit führt. Diamantwerkzeuge eignen sich deshalb nicht zur Bearbeitung von Stahl.

Es kommen im Zerspanungsprozess drei Diamant-Sorten zum Einsatz:

Monokristallinen Diamanten entsprechen in ihrer Struktur den Naturdiamanten, werden aber künstlich hergestellt. Sie eignen sich hervorragend, um Acrylglas auf Hochglanz zu polieren. Die polykristallinen Diamanten (PKD) werden – vergleichbar dem Herstellungsprozess von Hartmetall – bei hoher Temperatur und hohem Druck aus zahlreichen Einzelkristallen zu einem festen Körper versintert. Sie können für Fräs- und Polierarbeiten eingesetzt werden. CVD-Diamant-Dickschichtplatten werden durch chemische Gasphasenabscheidung aus dünnen Lagen schichtweise aufgebaut und anschließend durch einen Laserstrahl in Form geschnitten. Das Ergebnis ist eine sehr homogene Diamantstruktur und eine extrem glatte Schneide für höchste Oberflächengüten.

Trotz ihres höheren Anschaffungspreises stellen Diamantwerkzeuge für viele Bearbeitungsaufgaben die wirtschaftlichere Alternative dar – nicht zuletzt durch die Möglichkeit, sie mehrfach nachzuschleifen. 


Cermet

Cermets (zusammengesetzt aus engl. ceramic und metal) sind Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix (Bindemittel). Sie zeichnen sich durch eine besonders hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus. Ursprünglich war es eine Verbindung aus TiC und Nickel. Moderne Cermets sind nickelfrei und verfügen über eine Struktur aus Kernpartikeln von Titancarbonitrid Ti(C,N), einer zweiten Hartphase von (Ti, Nb, W) (C, N) sowie Kobalt als Bindemittel. Ti(C,N) verleiht der Sorte Verschleißfestigkeit, die zweite Hartphase erhöht den Widerstand gegen plastische Verformung und das Kobalt bestimmt die Zähigkeit.

Verglichen mit Hartmetall weist Cermet bessere Verschleißfestigkeit und geringere Neigung zum Kleben auf. Andererseits hat es eine geringere Druck- und Wärmewechselfestigkeit. Cermets können für eine höhere Verschleißfestigkeit auch PVD-beschichtet sein.

Cermet-Sorten werden bei klebenden Anwendungen, bei denen Aufbauschneidenbildung ein Problem darstellt, eingesetzt. Ihr selbstschärfendes Verschleißmuster hält die Schnittkräfte selbst nach langen Schnittzeiten niedrig. Bei Schlichtvorgängen verlängert dies die Standzeit und ermöglicht enge Toleranzen sowie glänzende Oberflächen. Typische Anwendungen sind das Schlichten von rostfreien Stählen, Kugelgraphitguss, Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und ferritischen Stähle. Cermets sind auch die Lösung bei allen Eisenwerkstoffen.


Technische Keramik (Schneidkeramik)

Keramisch basierte Werkstoffe behalten ihre Festigkeit auch bei deutlich höheren Betriebstemperaturen. Auf dem Markt existieren eine Fülle solcher Schneidwerkstoffe, die auf Aluminiumoxid, Siliciumnitrid und Mischkeramiken basieren und durch polykristallines, kubisches Bornitrid (PCBN) ergänzt werden. Diese eignen sich hervorragend für die Zerspanung auch von harten Werkstoffen mit hoher Vickershärte. Neben dem Hartdrehen wird in der Praxis auch verstärkt das Hartdrehen vor dem Schleifen angewendet. Mischkeramik und PCBN-Schneidwerkstoffe empfehlen sich für Hartfeindrehbearbeitung von Werkstücken mit Härten bis 64 HRC. 

Schneidkeramik benötigt deutlich höhere Härte als der zu zerspanende Werkstoff. Diese hohe Härte beeinträchtigt letztendlich die Zähigkeit der Schneidwerkstoffe. Schneidkeramiken sind nicht im unterbrochenen Schnitt einsetzbar.


Kubisches Bornitrid (CBN)

Kubisches Bornitrid (CBN) gilt heute nach Diamant als zweithärteste Substanz. CBN wird aus Bor und Stickstoff in einem der Diamantsynthese ähnlichen Hochdruck- und Hochtemperaturprozess hergestellt mit der chemischen Bezeichnung c-BN. Vom synthetischen Diamanten (PKD) unterscheidet sich CBN durch seine höhere thermische Stabilität. In vielen Anwendungen wird das kubische Bornitrid dem Diamanten vorgezogen, da es an Luft bis zu Temperaturen von 1400º Grad stabil ist. Diamant beginnt sich bereits ab 800º C zu zersetzen. Eine weitere Eigenschaft gegenüber PKD ist die chemische Resistenz gegenüber eisenhaltigen Werkstoffen.

 Gegenüber konventionellen Schleifmitteln (Edelkorund, Sinterkorund SK, Siliziumkarbid SIC) bietet CBN Vorteile beim Schleifen schwer zerspanbarer Stähle (Härte > 55 HRC). Durch den geringen Schleifscheibenverschleiß können hohe Form- und Maßgenauigkeiten leichter eingehalten werden. Mit CBN geschliffene Werkzeuge zeichnen sich darüber hinaus auch durch eine höhere Standzeit aus, da das kühlschleifende CBN das Randzonengefüge des Werkstücks kaum beeinflusst.


Die häufigsten Schneidstoffe im Vergleich

Relation zwischen Härte (somit Schnittgeschwindigkeit) und Zähigkeit (somit Vorschub) von Schneidstoffen im Vergleich (bitte klicken Sie auf das Bild links):

Übersicht über die häufigsten Schneidstoffe beim Bohren, Drehen und Fräsen: 
PKD, CBN, Aluminiumoxid Keramik, Siliziumnitrid Keramik, Cermet, Hartmetall, Micrograin, HSS.


Beschichtungen

Hartstoffbeschichtungen
Hartmetallwerkzeuge werden heute bei der Verwendung in der Zerspanung häufig zusätzlich hartstoffbeschichtet. Dies bringt bei fachgerechter Wahl der Beschichtung eine erheblich verlängerte Standzeit. Das Feld der möglichen Schichtalternativen ist groß. Werkzeuge gibt es vor allem in folgenden Beschichtungen: 

Titanaluminiumnitride (TiAlN bzw. AlTiN)

Eine Beschichtung, die sich durch große Härte und Hitzebeständigkeit auszeichnet. Sie wird unter anderem bei den Zwei- bis Vierzahnfräser eingesetzt. Die AlTiN-Variante zeichnet sich durch eine nochmals größere Härte aus. 

Titanancarbonitrid (TiCN)

Wenn es etwas härter sein soll als TiN. Die Titancarbonitrid-Schicht weist folgende Eigenschaften auf: sehr hohe Härte hohe Haftfestigkeit relativ hohe Wärmeleitfähigkeit geringer Reibungskoeffizient gegen Stahl.

Anwendungen: Zerspanung: Fräs-, Dreh-, Bohr- und Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung von hoch- und niedriglegierten Stählen bei hohen Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten; sehr gut geeignet für HSS-Fräser im Bereich der Stahlbearbeitung. Umformung: Zieh-, Stanz-, Preß- und Umformwerkzeuge für die Bearbeitung von hoch- und niedriglegierten Stählen und z.B. VA-Blechen. 

Trotz seiner sehr hohen Härte hat TiCN eine nicht zu hohe Sprödigkeit, was für viele Anwendungen, wie beim unterbrochenen Schnitt in der Zerspanung, unbedingt erforderlich ist. Häufig ergibt der Einsatz von TiCN-Schichten noch eine deutliche Standzeitverlängerung gegenüber TiN-beschichteten Werkzeugen. 

Technischen Eigenschaften: Mikrohärte HV 0.05: 3500 ± 500 - Reibungskoeffizient gegen 100Cr6 Stahl: 0,2 - Schichtdicke: 2 bis 4 µm - Maximale-Einsatztemperatur: 400° C / 750° F - Farbe: blau-grau (anthrazit) - Allgemeine Charakteristik: Hohe Härte, exzellenter Verschleißwiderstand, verbesserte Zähigkeit - Bevorzugte Anwendungen: Zerspanung schwer zu bearbeitender Stahllegierungen; Hochleistungszerspanung (wenn moderate Temperaturen an den Schneiden entstehen) - Exzellent für Metallumformung (z. B. von Edelstahl)

Titandiborid (TiB2)

Ein Hochleistungs-Schichtstoff mit geringer Affinität zum Aluminium, der die Bildung von Aufbauschneiden wirksam verhindert. Ihren Einsatz finden die TiNB2-Beschichtungen daher hauptsächlich bei der Werkzeugen für die Aluminium-Bearbeitung, also z. B. beim ALUSTAR Einzahnfräser und beim Zweizahnfräser für Aluminium.

Kohlenstoffbeschichtung (TiC, TaC)

Superharte Kohlenstoffbeschichtung mit diamantähnlichen Eigenschaften. Sie zeichnet sich durch einen minimalen Reibewert bei extremer Härte aus.

Diamantbeschichtung (SD1)

Diese Beschichtung besteht aus echten Diamantpartikeln und bietet ein Maximum an Härte. Sie wird für besonders abrasive Materialien eingesetzt, beispielsweise auf den Leiterplatten-Konturenfräsern und den Verbundstofffräsern. Die für diese Werkzeuge verwendeten Hartmetallsubstrate sind eigens auf die Diamantbeschichtung abgestimmt und garantieren beste Schichthaftung auf dem fertigen Hartmetallwerkzeug. So wird dessen extrem hohe Leistungsfähigkeit ermöglicht.

Die Beschichtungen unterscheiden sich zusätzlich noch in der Ausgestaltung ihrer Schichtstärken, die von unter 2 μm bis über 12 μm reichen können. Je dünner die aufgetragene Schicht ist, desto geringer ist auch die Schneidenverrundung und desto schärfer bleibt das Werkzeug, was vor allem für Einschneider wichtig ist. Mit abnehmender Schichtstärke sinkt aber auch ihre Schutzwirkung.


Galvanische Bindungen

Indem das Schleifkorn in einem elektrochemischen Prozess auf unterschiedlichste metallische Grundkörper aufgebracht wird, wird meist ein einlagiger Schleifbelag erzeugt. Gehalten werden die unterschiedlichen Schleifkörnungen durch die Einbettung in der Matrix, welche vorrangig aus Nickel besteht. 

Diese wiederum kann den Anforderungen des Einsatzes angepasst werden, indem verschiedene organische und anorganische Zusätze ihre Eigenschaften bezüglich Härte, Haftfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit variieren. Der Grundkörper muss elektrisch leitend sein, wobei die eigentliche Materialart von untergeordneter Bedeutung für den galvanischen Prozess ist. Die aufgebrachten Schleifkörner werden normalerweise bis zur Hälfte ihres nominellen, durch die Siebung bestimmten Durchmessers (mesh oder FEPA), in die Matrix eingebunden. 

Daraus resultiert eine größtmögliche Schleifmittelkonzentration und Spanraumvolumen. Das hohe Spanraumvolumen ermöglicht eine gute Kühlmittelzufuhr direkt in die Prozesszone und bietet ausreichend Platz für den Abtransport von Spänen. Die Vielzahl der aus der Bindungsmatrix herausragenden Körner erklären die Vorteile der galvanisch gebundenen Schleifkörper: Ihre Griffigkeit, die Möglichkeit auch stark schmierende Werkstoffe zu bearbeiten und die extrem hohen Schleifleistungen (über 150 m/s). 

Allerdings gibt es auch Nachteile: Die bearbeiteten Flächen sind rauer als mit der gleichen Korngröße in anderen Bindungen (Kunstharz-, Metallsinterbindung oder keramische Bindung) bearbeitete Flächen. Eine Verbesserung tritt über die Dauer durch mikrokristallinen Verschleiß der Kornspitzen und die Zunahme der aktiven Schneiden ein, so dass ein galvanisch belegtes Schleifwerkzeug immer eine Veränderung der erreichbaren Oberflächengüte über die Gesamtlebensdauer hat, wobei der quasistationäre Bereich sehr groß ist. 

Das Standzeitende von galvanisch gebundenen Schleifscheiben oder von galvanisch gebundenen Schleifstiften ist erreicht, wenn die Belaghöhe an einer beliebigen Profilstelle so abgenutzt ist, dass kein Kornüberstand mehr existiert, d.h. es ist kein Spanraum mehr vorhanden. Arbeitsfläche des Schleifkornes und Bindung liegen auf einem Niveau. In vielen Fällen ist jedoch die Möglichkeit gegeben durch entsprechende Maßnahmen den Belag zu regenerieren oder gegebenenfalls den unbeschädigten Grundkörper zu strippen und neu zu beschichten, was wiederum Kosten und Zeit spart. 

Als Schleifmittel können verschiedene Körnungsqualitäten aufgebracht werden, wie zum Beispiel Diamant, CBN, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Zirkoniumoxid, Borkarbid und viele andere mehr.


Fräserauswahl

Vorteile von Fräsern mit möglichst vielen Schneiden ...

1. Die Schneide ist das Verschleißteil des Fräsers. Je mehr Schneiden der Fräser hat, umso mehr Schneiden teilen sich den Verschleiß, umso höher ist die Standzeit. 
2. Ein Fräser mit mehreren Schneiden läuft "runder" als ein solcher mit nur einer Schneide. 
3. Durch die größere vom Hartmetall eingenommene Querschnittsfläche beim Mehrschneider wird mehr Wärme in Richtung Spannzange abgeführt als beim Einschneider. Dies ist besonders wertvoll, wenn sonst keine Möglichkeit der Kühlung besteht. 
4. Je mehr Schneiden vorhanden sind, umso kleiner fallen die einzelnen Späne aus, umso glatter wird die Oberfläche. 

Vorteile von Fräsern mit möglichst wenigen Schneiden ...

1. Das Hauptproblem des (Nuten-) Fräsens ist das Anbacken von Spänen und damit das Verstopfen ("Zusetzen") des Fräsers. Ist der Fräser erst einmal verstopft, so kann er keine Späne mehr fördern und die Vorschubkraft der Fräsmaschine bricht ihn ab. Dies passiert - je nach Material - meist lange bevor die Schneide verschleißt. Primär ist daher die Frage: "Wohin mit den Spänen?" zu lösen. "Nach oben, bzw. nach hinten" lautet in der Regel die Antwort (Ausnahme: Linksdrall-Fräser z.B. ALUSTAR Einzahnfräser mit Linksdrall). Dazu braucht man aber Platz (Spannut), um die Späne vorbei am "Fleisch" des Fräsers zu bewegen. Der Vergleich der Querschnitte verschiedener Typen zeigt klar, dass der Einschneider die größte offenen Fläche (= Größe der Spannut) aufweist, und dass diese abnimmt, je mehr Schneiden vorhanden sind. 
2. Je weniger Schneiden ein Schaftfräser hat (und je spitzer diese sind), desto leichter ist das Eintauchen in die Oberfläche des Werkstoffs.


Abkürzungsübersicht in der der Zerspanungstechnik

CBN – Kubisches Bornitrid
FEPA – Fédération Européene des Fabricants de Produits Abrasifs
PKD – Polykristalliner Diamant
TaC – Tantalcarbid 
TiB2 – Titandiborid
TiC – Titancarbid 
TiCN – Titancarbonitrid
TiN – Titannitrid 
TiAlN – Titanaluminiumnitride