Fachbegriffe aus der Zerspanungstechnik

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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“.

SCHELL ist Anbieter von Hartmetall Konstruktionsteilen für den Verschleißschutz.


Diamant (PKD)

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. Bedingt durch die hohen Temperaturen im Schleifprozess entzieht Stahl dem Diamanten Kohlenstoffatome. Dadurch wird das Diamant-Schleifkorn zersetzt. 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. 


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 von Zerspanungswerkzeugen beim Bohren, Drehen und Fräsen: 
PKD, CBN, Aluminiumoxid Keramik, Siliziumnitrid Keramik, Cermet, Hartmetall, Micrograin, HSS.


Kubisches Bornitrid (CBN)

Kubisches Bornitrid (CBN) gilt heute nach Diamant als zweithärteste Substanz. Mit einer Knoop-Härte von 45 GPa bei Raumtemperatur ist CBN nach Diamant (88 GPa) das zweithärteste Material. 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. Oberhalb von 900 °C ist CBN somit das härteste bekannte Material.

Der Grund hierfür liegt in der Eigenschaft des CBN bei hohen Temperaturen unter Sauerstoffatmosphäre eine schützende Boroxidschicht auszubilden. Da CBN zudem keinen Kohlenstoff enthält, eignet es sich im Gegensatz zu Diamant für die Bearbeitung von gehärteten und ungehärteten kohlenstoffhaltigen Stählen. Beim Einsatz von Diamant tritt auf Grund von tribochemischen Reaktionen ein erhöhter Verschleiß bei dieser Werkstoffgruppe auf. Dies gilt auch für die Bearbeitung von Titan und dessen Legierungen. Gründe hierfür sind die erhöhte Reaktivität von Titan mit Sauerstoff und die Neigung zur Bildung von Carbiden. 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 wichtige Eigenschaft gegenüber PKD ist somit 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.

Wie der nebenstehenden Darstellung zu entnehmen ist, besteht ein wesentlicher Vorteil von CBN gegenüber Diamant in der thermischen Stabilität. Während Diamant bei ca. 700 °C einen massiven Härteverlust erleidet, bleibt die Härte von CBN noch bei mehr als 1000 °C fast unverändert.


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.


Wendeschneidplatten Bezeichnungen nach ISO

Die Internationale Norm ISO 1832 enthält einen Code für die Bezeichnung der üblichen Ausführungen von Wendeschneidplatten aus harten Schneidstoffen oder anderen Schneidstoffen für Zerspanwerkzeuge, um die Bestellung und die Festlegungen für diese Schneidplatten zu vereinfachen.

Festgelegt sind auch die Symbole für die Bezeichnung von Schneidplatten, die mit kubischem Bornitrid bestückt oder ganz aus kubischem Bornitrid (BL, BH, BC) hergestellt sind, sowie von Schneidplatten, die mit polykristallinem Diamant (DP) bestückt sind.

ISO Wendeschneidplatten Bezeichnungsschlüssel als PDF


ISO Code Klemmhalter mit Vierkantschaft für Wendeschneidplatten

Die in DIN ISO 5610-1 enthaltenen Festlegungen über Form und Zuordnung der Maße gelten für die in DIN ISO& 5610-2 bis DIN ISO 5610-15 genormten Klemmhalter mit Vierkantschaft, die zur Aufnahme von Wendeschneidplatten aus Hartmetall, Schneidkeramik oder anderen Schneidstoffen bestimmt sind und für Dreharbeiten verwendet werden.

Die enthaltenen Festlegungen für Klemmhalter mit Vierkantschaft stimmen mit der Internationalen Norm ISO 5610:2014 überein. Diese Norm wurde vom Arbeitsausschuss NA 121-01-12 AA "Dreh- und Bohrerwerkzeuge mit Wendeschneidplatten aus harten Schneidstoffen im DIN-Normenausschuss Werkzeuge und Spannzeuge (FWS) erarbeitet.

ISO Klemmhalter Bezeichnungsschlüssel als PDF


Beschichtungen von Zerspanungswerkzeugen

Hartmetall Zerspanungswerkzeuge 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 Zerspanungswerkzeugen. 

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, SD2, SD3)

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.

SCHELL ist führender Anbieter von diamantbeschichteten Wendeschneidplatten für die Leichtzerspanung.

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.


Schleifscheiben ISO Codierung

Schleifscheiben sind rotationssymmetrische Körper mit einer Bohrung in der Mitte, die zur Aufnahme in einem Spannflansch dient. Hergestellt werden Schleifscheiben aus abrasiven Schleifmitteln, die von geeigneten Bindemitteln in der Schleifscheibenmatrix gehalten werden. Als geeignete Bindemittel haben sich vorwiegend Kunstharz- bzw. keramische Bindungen, aber auch Metall- und galvanische Bindungen bewährt. Bei der Wahl des Schleifmittels greift man meistens auf synthetisch produzierte Kornwerkstoffe zurück, da dadurch eine größere Vielfalt für die unterschiedlichsten Schleifanwendungen erreicht wird.

Man unterscheidet zwischen konventionellen Schleifwerkstoffen, zu denen Korund (Al2O3) und Siliziumkarbid (SiC) gehören und den sogenannten hochharten Stoffen wie kubisches Bornitrit (CBN)und synthetisch hergestellter Diamant. SCHELL ist führender Anbieter solcher CBN- und Diamantschleifscheiben für die Bearbeitung von PKD, Hartmetall, HSS und Hartguss.

Die drei Hauptbestandteile einer konventionellen Schleifscheibe sind somit das Schleifkorn, die Bindung und die Poren. Darüber hinaus gibt es eine Auswahl an Füll- und Zusatzstoffen. Zum einen können diese für die Produktion der Schleifscheibe nützlich sein, zum anderen gezielt deren Einsatzeigenschaften wie z.B. Festigkeit, Hitzebeständigkeit und Zähigkeit verbessern. Feste Schmierstoffe wie Graphit und Pyrit werden z.B. eingesetzt, wenn die entstehenden Schleiftemperaturen gesenkt werden sollen.


Bindungsarten für Schleifscheiben / Schleifstifte

Bindungssysteme sollen das Schleifkorn am Grundkörper und untereinander stabil halten, bis es abgenutzt und stumpf ist. Ihre Eigenschaften lassen sich einstellen durch den verwendeten Binderwerkstoff, die Art ihrer Herstellung und durch den Anteil im Verhältnis zum Schleifkorn.

Die Bindung hat die Aufgabe, die Schleifkörner solange im Werkzeug festzuhalten, bis sie durch den Schneidprozess abgestumpft sind. Dann soll die Bindung das Korn freigeben, damit neue, scharfe Körner in Eingriff kommen können. Die Halteaufgabe der Bindung wird dann erfüllt, wenn der Bindungswerkstoff fest genug ist, und sich zwischen den Körnern Brücken mit ausreichend großem Querschnitt ausbilden. Zudem muss eine haltbare Verbindung zwischen Bindung und Korn vorliegen. Die Ausprägung dieser Eigenschaft wird durch den Bindungswerkstoff, den jeweiligen Herstellungsprozess sowie den eingestellten volumetrischen Anteilen der Bindungskomponenten festgelegt. Grundsätzlich wird zwischen Kunstharzbindung sowie keramischer und metallischer Bindung unterschieden. Diese wiederum liegen in zahlreichen Varianten vor und werden vom Werkzeughersteller häufig speziell für die einzelne Anwendung spezifiziert.

Kunstharzbindung «B»

Dieser Bindungstyp besteht aus einem Kunstharz oder einer Kombination verschiedener Kunstharze mit und ohne Füllstoffe (Colleselli et al. 1988). Je nach Scheibenart, verfügbarer Fertigungseinrichtungen und insbesondere späterer Applikation stehen dem Schleifscheibenhersteller diverse Kunstharze zur Verfügung. Die Phenolharze aus der Gruppe der Duroplaste sind dabei die am weitesten verbreitete Komponente der kunstharzgebundenen Werkzeuge. Dies gilt für konventionelle und hochharte Schleifscheiben. Um der Bindung bestimmte Eigenschaften zu verleihen, ist dabei die Modifikation der Phenolharze weit verbreitet. So lässt sich die Bindungshärte und -sprödigkeit und damit zusammenhängend die Sprengfestigkeit des Gefüges durch Zugabe von Elastomeren zielgerichtet beeinflussen. Als typische Additive werden hier exemplarisch Kautschuk oder Epoxidharze genannt werden. Eine häufig im Bereich hochharter Schleifwerkzeuge verwendete Alternative zur Eigenschaftseinstellung der Bindung ist neben der Modifikation des Harzes insbesondere die Zugabe von Füllstoffen, z. B. weicher Materialien wie Graphite, oder auch harter Materialien wie SiC. Die Größe, Art und Konzentration der Füllstoffe wird vom Hersteller der hochharten Schleifwerkzeuge anwendungsabhängig gewählt. Für hochharte Schleifscheiben kommen neben den erwähnten Phenolharzen (Verarbeitungstemperatur unter 200 °C) zusätzlich auch Polyimide aus der Gruppe der Thermoplaste zum Einsatz, die eine höhere Festigkeit, thermische Beständigkeit und Elastizität aufweisen, allerdings höhere Verarbeitungstemperaturen von teilweise über 300 °C bedingen. Eine sehr hohe Bindungselastizität kann z. B. auf einer Polyurethanbasis erreicht werden. Dieses Bindungssystem findet beispielsweise in Polierschleifscheiben für die Glasbearbeitung oder Werkzeugfinishbearbeitung Anwendung (Colleselli et al. 1988).

Im Gegensatz zu konventionellen Werkzeugen werden bei hochharten kunstharzgebundenen Schleifscheiben die Körner noch häufig mit einer Metallummantelung versehen. Wie oben angesprochen, dient diese zum einen als Wärmesenke zur Verbesserung der Temperaturbeständigkeit. Im Falle besonders ausgeprägter Nickelschichten kann sie zum anderen die Verankerung der Körner in der weichen Bindungsmatrix deutlich verbessern. Bezüglich des generellen Eigenschaftsprofils kunstharzgebundener Schleifwerkzeuge lässt sich zunächst ihre relative Unempfindlichkeit gegen Stöße und seitliche Belastungen nennen - unabhängig davon, ob es sich um konventionelle oder hochharte Werkzeuge handelt. Des Weiteren erlauben sie hohe Zeitspanungsvolumina z. B. beim Trenn- und Schruppschleifen, da die weiche Kunstharzbindung gut durch die Schleifspäne zurückgesetzt werden kann. Dies hilft, die Schleifscheibe während des Prozesses scharf zu halten (Selbstschärfeffekt). Die weiche Kunstharzbindung ermöglicht auch das Erreichen hoher Oberflächengüten möglich, da exponierte Körner in die nachgiebige Matrix zurückgedrückt werden können, wodurch die Gefahr des Auftretens tiefer Kratzer deutlich abnimmt.

In Kunstharzbindungen dienen in der Regel Phenol- oder Imidharze als Bindemittel. Die kurz zeitige thermische Belastbarkeit bei diesen Bindungen liegt zwischen 250 °C und maximal 350 °C. Kunstharz-gebundene Schleifwerkzeuge zeichnen sich durch eine gute Schnittigkeit und einen kühlen Schliff aus. Sie sind sowohl in Diamant als auch in CBN in einem sehr breiten Anwendungsgebiet einsetzbar. Bestimmte Bindungen können auch zum Trockenschliff verwendet werden. Auf Grund der Produktionsmethodik und der tiefen Presstemperaturen sind Schleifwerkzeuge mit Kunstharzbindung normalerweise die preisgünstigsten unter den verschiedenen Bindungssystemen.

Bedingt durch die begrenzte mechanische Festigkeit einer Kunstharzbindung, stößt ein solches Schleifwerkzeug eher an die Grenzen der Formbeständigkeit, als dies zum Beispiel bei einer Metall- oder Metallokeramikbindung der Fall ist. Auch sollten lange Lagerzeiten sowie chemische Einwirkungen von Schleifwerkzeugen in Kunstharzbindung vermieden werden. Beides kann die Festigkeiten deutlich reduzieren und stellt damit ein Sicherheitsproblem dar.

Müssen jedoch in Schleifprozessen sehr feine Oberflächen erzeugt werden, kann dies auf wirtschaftliche Art und Weise ausschließlich mit einem Kunstharz-gebundenen Schleifwerkzeug erzielt werden.

Zusatzinformation zu den Zerspanungswerkzeugen von SCHELL WerkzeugsystemeSCHELL ist Anbieter von Diamantschleifscheiben und CBN-Schleifscheiben in Kunstharzbindung und von Diamantschleifstiften und CBN-Schleifstifte in Kunstharzbindung.

Metallbindung «M»

In Metallbindungen gelangen unterschiedliche Bronzelegierungen als Bindemittel zum Einsatz. Die thermische Belastbarkeit solcher Bindungssysteme kann bis zu ungefähr 600 °C betragen. Auf Grund der hervorragenden Kornhaltekraft zeichnen sich Metallgebundene Schleifwerkzeuge durch eine ausgezeichnete Formbeständigkeit aus; dies ist beispielsweise beim Profilschleifen ein entscheidendes Kriterium. Die Fähigkeit, Schleifprozesswärme sehr gut ableiten zu können, führt dazu, dass solche Bindungssysteme zum Beispiel beim Nutentiefschleifen (Fräser, Bohrer etc.) zu überdurchschnittlich hohen Leistungen verhelfen.

Metallokeramikbindung «MV»

Wie in der klassischen Keramikbindung werden in Metallokeramikbindungen diverse Glassorten als Bindemittel verwendet. Der Unterschied zur klassischen Keramikbindung liegt jedoch im Herstellverfahren. Die klassische Keramikbindung wird so genannt «druckfrei gesintert», sprich ohne Pressverfahren im Ofen gebrannt. Die Metallokeramikbindung wird, analog der Metallbindung, unter Einwirkung hoher Temperaturen gepresst. Die thermische Belastbarkeit dieses Bindungssystems ist vergleichbar mit jener der Metallbindung (ca. 600 °C).

Typische Anwendungsgebiete der Metallokeramik sind zum Beispiel Innenrundschleifen, Bearbeitung von Saphir und Oxidkeramik, Honwerkzeuge und bezüglich CBN das Schäl- und Nutentiefschleifen.

Keramische Bindung «V»

Zur Herstellung keramischer Bindungen werden Gemische aus den natürlichen Silikaten roter und weißer Tone, Kaolin und Feldspat, Quarz und Fritten verwendet. Fritten sind dabei glasartige, vorgeschmolzene und wieder aufgemahlene, homogene, anorganische Gemische. Sie dienen als Bindemittel und verleihen der Bindung je nach Zusammensetzung gezielte mechanische und chemische Eigenschaften, indem sie u. a. Einfluss auf die erforderliche Brenntemperatur oder die Benetzung der Einzelkomponenten nehmen. Zu nennen sind hier z. B. Borsilikate oder magnesiumhaltige Gläser. Typische Brenntemperaturen liegen zwischen 700 °C (Diamant) bis über 1.400 °C (konventionelle Schleifmittel und cBN). Die Volumenanteile der Bindungsbestandteile bestimmen zusammen mit den Prozessparametern bei der Herstellung die Festigkeit und Ausbildung der Bindungsbrücken.

Die thermische Belastbarkeit dieses Bindungssystems liegt zwischen 600 °C und 700 °C. Keramisch gebundene Schleifwerkzeuge zeichnen sich durch ihre ausgezeichnete Abrichtbarkeit aus. Dadurch können solche Schleifwerkzeuge bei Verlust der Belaggeometrie mit verhältnismäßig geringem Aufwand wieder in die ursprüngliche Form zurückgebracht werden. Dies ermöglicht, in der Regel auf der Maschine, einen reproduzier- und automatisier-baren Abrichtprozess. Ein weiterer Vorteil der Keramikbindung ist die in der Herstellung steuerbare Porosität des Schleifbelages. Diese reicht von einer geschlossenen bis zu einer sehr offenen Belagsstruktur, was mit keinem anderen Bindungssystem in diesem Ausmaß möglich ist.

Eine hohe Porosität unterstützt den Kühlmitteltransport, verbessert die Spanabfuhr und reduziert die Kontaktfläche respektive die Schleifkräfte und somit die Prozesswärme. Diese Vorteile wirken sich insbesondere bei abtragsintensiven Schleifoperationen sehr positiv aus. Die hauptsächlichen Anwendungsgebiete der Keramikbindung sind in der Stahlbearbeitung (CBN-Scheiben) zu finden. Dies insbesondere im Flach-, Rund-, Innen- und Werkzeugschleifen.

Speziell zu beachten bei Keramikbindungen ist das Abrichten. Deshalb finden Sie nachfolgend einige Hinweise zu diesem Thema:

  • Möglichst rotierende Abrichtwerkzeuge verwenden
  • Nur kleine Zustellungen vornehmen (0,002 bis max. 0,01 mm pro Überlauf)
  • Niemals ohne Zustellung über die Schleifscheibe fahren
  • Möglichst immer mit Kühlung abrichten

Folgende Abrichtwerkzeuge werden heute, je nach Möglichkeiten der Maschinen, in der Praxis eingesetzt:

  • Diamantabricht(form)rollen
  • PKD–Scheiben
  • Drehflügelabrichter mit Diamanttopf
  • Crushier–Scheiben
  • Siliziumkarbid–Scheiben
  • MKD–Fliesen
  • Mehrkorndiamanten

Quellenangaben u.a.:

  • Handbuch Spanen, Herausgeber: Günter Spur, ISBN: 978-3-446-43699-2
  • Diametal AG, Biel, Schweiz

Zusatzinformation zu den Zerspanungswerkzeugen von SCHELL WerkzeugsystemeSCHELL ist Anbieter von Diamantschleifscheiben und CBN-Schleifscheiben in Keramikbindung und von Diamantschleifstiften und CBN-Schleifstifte in Keramikbindung.

Galvanische Bindung «G»

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.

SCHELL ist Anbieter von Schleifscheiben und Schleifstifte mit galvanischer Bindung.


Spitzenlosschleifen

Das Spitzenlosschleifen oder spitzenlose Rundschleifen ist eine Sonderform des Außenrundschleifens, bei der das Werkstück nicht eingespannt, sondern auf eine Auflageschiene mit keilförmigem Querschnitt gelegt wird.

Positioniert ist diese Auflageschiene parallel zu den Achsen, zwischen der Schleifscheibe und der Regelscheibe. Somit liegt das Werkstück einerseits auf der Auflageschiene und andererseits auf der sich langsam drehenden Regelscheibe auf. Die Regelscheibe besteht aus einer Mischung aus Gummi und Korund und hat die Aufgabe, das Werkstück an die schnell drehende Schleifscheibe zu drücken und gleichzeitig so zu bremsen, dass es nur so schnell wie die Regelscheibe dreht, damit die Schleifscheibe Material abtragen kann. Es wird grundsätzlich zwischen zwei Fertigungsverfahren unterschieden:

I. Durchgangsschleifen

Das weniger aufwändige Verfahren beim 'spitzenlosen Schleifen' ist das Durchgangsschleifen. Dabei durchläuft eine lückenlose Abfolge von Werkstücken die Maschine, wobei jedes davon einen einzigen, einheitlich zu schleifenden Durchmesser aufweist. Die Axialkraft Regelscheibe zieht den Werkzeugstrahl zwischen den Scheiben hindurch zum Ende der Schleifzelle. In Verbindung mit einer automatisierten Be- und Entladung bewegen sich die Werkstücke unterbrechungsfrei in der Maschine. Produziert werden auf diese Weise etwa Kolben, Achsen oder Motorwellen.

II. Einstechschleifen

Beim Einstechschleifen weisen sowohl die Schleifscheibe als auch die Regelscheibe das Negativprofil des Werkstücks auf. Dieses wird mit festen oder angefertigten Formrollen über CNC-Technologie auf die Scheibe projiziert. Auf diese Weise können am Werkstück alle zu schleifenden Durchmesser gleichzeitig bearbeitet werden. Ein Axialanschlag auf der ebenfalls profilierten Auflageschiene sichert dabei die richtige Werkstückposition. Einstechschleifen ist besonders in der Großserie wirtschaftlich, da sich hier auch mehrere Teile des gleichen Typs bearbeiten lassen. Das Beladen und Entladen erfolgt über speziell konzipierte, integrierte Ladeportale. Relevant ist das spitzenlose Einstechschleifen vor allem für Ventilnadeln, Motorwellen und Getriebeteile.

Beim Durchgangsschleifen und dem Einstechschleifen kommen die hochpräzisen Hartmetall-bestückten Auflageschienen von SCHELL zum Einsatz


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.

Fräser mit vielen Schneiden ist z.B. der CARBONSTAR VHM Schaftfräser von SCHELL.

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.

Fräser mit wenigen Schneiden ist z.B. der ALUSTAR VHM Einzahnfräser von SCHELL.


Abkürzungsübersicht in 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