Werkzeuge und Parameter spielen nach wie vor eine Schlüsselrolle für den Bearbeitungserfolg

Einführung

Obwohl die Teile, Werkstückmaterialien und Bearbeitungsverfahren, mit denen sie arbeiten, sehr unterschiedlich sind, teilen alle Hersteller das Ziel, eine bestimmte Anzahl von Werkstücken in einer bestimmten Zeit und zu angemessenen Kosten in einer gewünschten Qualität zu bearbeiten.

Hersteller erreichen ihre Ziele in der Regel, indem sie einem Modell mit enger Perspektive folgen, das mit der Werkzeugauswahl und -anwendung beginnt und Probleme reaktiv löst. Die Umkehrung dieses Ansatzes führt zu Kostensenkungen und erhöhter Effizienz. Anstatt auf auftretende Probleme zu warten und dann Anpassungen an einzelnen Bearbeitungsvorgängen vorzunehmen, sollten sich Hersteller zunächst auf eine proaktive Vorplanung konzentrieren, um Ausschussteile und Ausfallzeiten zu eliminieren. Nach der Etablierung eines stabilen und zuverlässigen Prozesses können die Konzepte der Produktionsökonomie angewendet werden, um ein Gleichgewicht zwischen Produktionsrate und Herstellungskosten zu erreichen. Durch sorgfältige Auswahl von Schneidwerkzeugen und Bearbeitungsparametern können Hersteller dann ihre Abläufe vollständig optimieren und ihre Produktionsziele erreichen.

Werkzeugauswahl und Schnittbedingungen

Die Auswahl von Zerspanungswerkzeugen ist in der Regel anwendungsorientiert:Eine Werkstatt sucht nach einem Werkzeug zur Bearbeitung eines bestimmten Werkstückmaterials wie Stahl oder Aluminium oder zur Durchführung einer bestimmten Operation wie Schruppen oder Schlichten. Ein vorteilhafterer Ansatz für die Werkzeugauswahl beginnt mit der Überlegung, wie der Bearbeitungsvorgang in das Geschäft eines Herstellers insgesamt passt.

Oberste Priorität eines solchen Ansatzes ist es, die Prozesssicherheit zu gewährleisten und das Auftreten von Ausschussteilen und ungeplanten Stillstandszeiten zu eliminieren. Zuverlässigkeit, allgemein beschrieben, ist eine Frage der Einhaltung von Regeln. Wenn eine Werkstatt die Auswirkungen von schneidenden, thermischen und chemischen Kräften auf das Werkzeug nicht erkennt und respektiert, wird Zuverlässigkeit durch Werkzeugversagen ersetzt.

Nach der Etablierung eines stabilen Prozesses sollten die Werkzeugeigenschaften und Schnittbedingungen so gewählt werden, dass sie den Gesamtzielen des Metallbearbeitungsunternehmens entsprechen. Beispielsweise kann die Maximierung des Outputs bei minimalen Kosten die Hauptüberlegung bei der Massenproduktion einfacher Teile sein. Auf der anderen Seite muss bei der High-Mix-Low-Volume-Fertigung wertvoller komplexer Teile die absolute Zuverlässigkeit und Genauigkeit betont werden, bevor die Herstellungskosten angegangen werden. Flexibilität ist eine Anforderung an Werkzeugsysteme, die in solchen Kleinserienszenarien eingesetzt werden.

Wenn Kosteneffizienz ein primäres Ziel ist, muss die Werkzeugbestückung basierend auf niedrigen Kosten pro Schneidkante ausgewählt werden, und die Wahl der Schnittbedingungen muss mit dieser Auswahl in Einklang stehen. Bei den Bearbeitungsparametern sollten sowohl Standzeiten als auch Prozesssicherheit im Vordergrund stehen. Steht hingegen die Werkstückqualität an erster Stelle, sind Hochleistungs-Präzisionswerkzeuge bei entsprechenden Schnittbedingungen der richtige Ansatz. Was auch immer das Ziel ist, jede unterschiedliche Reihe von Zielen führt zur Auswahl verschiedener Schnittbedingungen und Werkzeuge.

Schnittbedingungen auswählen und anpassen

Bei der anfänglichen Planung der Bearbeitung eines neuen Teils sollte die Auswahl der Werkzeuge und Schnittbedingungen mit der Berücksichtigung des Bearbeitungsverfahrens, der Werkzeuggeometrie und des Werkzeugmaterials beginnen. Das zu bearbeitende Teil bestimmt weitgehend diese Anforderungen. Beispielsweise kann ein Bauteil für die Luft- und Raumfahrt auf Nickelbasis das Profilfräsen mit einem Vollhartmetall-Schaftfräser mit positiver Geometrie erfordern. Die Wahl wird von den grundlegenden Zielen der Werkstatt in Bezug auf Produktionsrate, Kosten und Qualität der Werkstücke geleitet und hängt von der Schnitttiefe, Vorschubgeschwindigkeit und Schnittgeschwindigkeit ab, die angewendet werden können, um diese Ziele zu erreichen.

Ein anderer Auswahlprozess ist geeignet, um bestehende Teileherstellungsvorgänge zu modifizieren, um bessere Ergebnisse in Bezug auf Produktivität, Wirtschaftlichkeit oder Zuverlässigkeit zu erzielen. In diesen Fällen empfiehlt sich ein schrittweises Vorgehen, beginnend mit Änderungen der Schnittbedingungen, dann Geometrien, Schneidstoffe, Werkzeugkonzepte und schließlich Bearbeitungsverfahren. Bemerkenswerterweise arbeiten die meisten Betriebe in der umgekehrten Reihenfolge und erwägen zuerst, Werkzeuge oder Bearbeitungsmethoden zu wechseln, wenn sie versuchen, die Bearbeitungsergebnisse zu verbessern.

Ein viel einfacherer und normalerweise effektiver erster Ansatz beginnt mit der Änderung der Schnittparameter. Die Schnittbedingungen haben einen weiten Einflussbereich, und die Änderung der Schnittgeschwindigkeit oder des Vorschubs um einen Nennbetrag kann ein Problem lösen oder die Produktivität steigern, ohne dass Kosten oder Zeit für den Werkzeugwechsel aufgewendet werden müssen.

Wenn die Änderung der Schneidparameter nicht den gewünschten Effekt bringt, können Änderungen an der Geometrie des Schneidwerkzeugs vorgenommen werden. Dieser Schritt ist jedoch komplizierter als das einfache Ändern von Parametern, erfordert den Einsatz neuer Werkzeuge und erhöht die Werkzeug- und Maschinenzeitkosten. Ein Wechsel der Schneidstoffe ist eine weitere Alternative, erfordert aber auch einen höheren zeitlichen und finanziellen Aufwand. Es kann notwendig sein, die Schneidwerkzeuge oder Halter selbst zu wechseln, aber dies erhöht die Möglichkeit, auf kundenspezifische Werkzeuge umzusteigen, was die Herstellungskosten weiter erhöhen kann.

Wenn alle diese Schritte nicht das gewünschte Ergebnis liefern, kann eine Änderung des Bearbeitungsverfahrens erforderlich sein. Der Schlüssel liegt darin, die Änderungen bewusst Schritt für Schritt zu untersuchen, um deutlich zu machen, welche Faktoren tatsächlich das gewünschte Ergebnis erzielen.

Da dies ein schneller und einfacher Ansatz zu sein scheint, verwenden viele Werkstätten CAM-Systeme, um ihre Werkzeugauswahl zu steuern. Dieses Verfahren ist in vielen Fällen wirksam, liefert jedoch möglicherweise keine optimalen Ergebnisse. Ein CAM-System berücksichtigt nicht die gesamte Bandbreite individueller Betriebsmerkmale. Beim Einsatz eines Fräsers beispielsweise geht es nicht nur um das Einstecken von Drehzahl, Vorschub und Schnitttiefe. Eine optimale Anwendung hängt von Faktoren ab, die von der Zähnezahl des Fräsers über die gute Späneabfuhr und die Stärke des Werkzeugs bis hin zur Stabilität der Fräsmaschine reichen. Es ist notwendig, all diese Faktoren zu berücksichtigen, um die Ziele eines Fertigungsvorgangs vollständig zu erreichen, seien es Zeitspanvolumen, Standzeit, Oberflächenrauheit oder Wirtschaftlichkeit.

Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe

Viele Werkstattleiter glauben, dass eine einfache Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit mehr Teile pro Zeiteinheit produzieren und dadurch die Herstellungskosten senken wird. Es gibt jedoch mehr Elemente der Herstellungskosten als nur das Produktionsvolumen allein. Ein Beispiel ist ein Vorgang, bei dem ein Werkzeugwechsel während des Vorgangs negative Auswirkungen auf die Teilequalität und die Bearbeitungszeit haben würde.

Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit würde zu einer schnelleren Produktion führen, aber die Standzeit des Werkzeugs würde abnehmen. Die Bearbeitungskosten würden aufgrund häufigerer Werkzeugwechsel und größerer Maschinenstillstandszeiten während des Wechsels steigen.

Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit verkürzt die Standzeit des Werkzeugs und kann einen Betrieb weniger stabil machen, während eine Änderung der Schnitttiefe oder der Vorschubgeschwindigkeit nur minimale Auswirkungen auf die Standzeit des Werkzeugs hat. Dementsprechend werden die besten Ergebnisse aus einem ausgewogenen Ansatz erzielt, der reduzierte Schnittgeschwindigkeiten kombiniert mit proportionalen Erhöhungen der Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe beinhaltet. Die Verwendung der größtmöglichen Schnittiefe verringert die Anzahl der erforderlichen Schnittdurchgänge und reduziert dadurch die Bearbeitungszeit. Die Vorschubgeschwindigkeit sollte ebenfalls maximiert werden, obwohl die Werkstückqualität und Oberflächenbeschaffenheit durch zu hohe Vorschubgeschwindigkeiten beeinträchtigt werden können.

In einem verallgemeinerten Beispiel erhöht eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min auf 200 m/min die Zeitspanungsrate nur um etwa 10 Prozent, wirkt sich aber negativ auf die Standzeit aus. Eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit von 0,2 mm/Umdrehung auf 0,3 mm/Umdrehung erhöht die Metallabtragungsrate um 50 Prozent, mit minimaler, wenn überhaupt, Auswirkung auf die Standzeit.

In den meisten Fällen erhöht eine Erhöhung des Vorschubs und der Schnitttiefe bei gleichen oder niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten die Metallabtragungsrate einer Operation auf diejenige, die allein durch höhere Schnittgeschwindigkeiten erreicht wird. Einer der Vorteile des Arbeitens mit einer Kombination aus niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten mit höheren Vorschüben und geringerer Schnitttiefe ist der reduzierte Energieverbrauch.

Der letzte Schritt bei der Optimierung der Schnittbedingungen ist die Auswahl eines geeigneten Kriteriums in Bezug auf minimale Kosten oder maximale Produktivität und die Verwendung der Schnittgeschwindigkeit zur Feinabstimmung des Erreichens dieses Kriteriums. Ein Modell, das zu Beginn des 20. Jahrhunderts vom amerikanischen Maschinenbauingenieur F.W. Taylor entwickelt wurde, kann diese Wahl leiten.

Das Modell zeigt, dass es für eine gegebene Kombination aus Schnitttiefe und Vorschub ein bestimmtes Fenster für Schnittgeschwindigkeiten gibt, in dem die Werkzeugverschlechterung sicher, vorhersehbar und kontrollierbar ist. Beim Arbeiten in diesem Fenster ist es möglich, den Zusammenhang zwischen Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugverschleiß und Standzeit zu qualifizieren und zu quantifizieren. Das Ziel ist eine höhere Schnittgeschwindigkeit, die die Maschinenzeitkosten reduziert, aber die Schneidwerkzeugkosten nicht durch beschleunigten Werkzeugverschleiß übermäßig erhöht.

Werkzeugsubstrat und -geometrie

Zusätzliche Schritte bei der Optimierung der Werkzeuganwendung können die Feinabstimmung der Eigenschaften des Werkzeugsubstrats und der Geometrie umfassen. So wie das Anpassen der Schnittbedingungen das Eingehen von Kompromissen in Abhängigkeit von den gewünschten Ergebnissen erfordert, erfordert die Maximierung der Produktivität durch Änderungen des Werkzeugsubstrats ein Gleichgewicht der Kompromisse zwischen den Substrateigenschaften.

Da die Schneide eines Werkzeugs härter sein muss als das Material, das es schneidet, ist die Härte eine Schlüsseleigenschaft des Werkzeugs. Eine hohe Härte, insbesondere bei erhöhten Temperaturen, die bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erzeugt werden, verlängert die Werkzeuglebensdauer. Ein härteres Werkzeug ist jedoch auch spröder. Ungleichmäßige Schnittkräfte beim Schruppen, insbesondere bei unterbrochenen Schnitten mit Zunder oder unterschiedlichen Schnitttiefen, können dazu führen, dass ein hartes Schneidwerkzeug bricht. Auch eine Instabilität der Werkzeugmaschine, der Vorrichtung oder des Werkstücks kann zu einem Ausfall führen.

Umgekehrt wird die Erhöhung der Zähigkeit eines Werkzeugs, indem beispielsweise ein höherer Prozentsatz an Kobaltbindemittel hinzugefügt wird, es einem Werkzeug ermöglichen, Stößen zu widerstehen. Aber gleichzeitig macht eine verringerte Härte ein Werkzeug einem schnellen Verschleiß und/oder einer Verformung bei Operationen mit höheren Geschwindigkeiten oder bei der Bearbeitung von abrasiven Werkstücken ausgesetzt. Der Schlüssel liegt darin, die Werkzeugeigenschaften im Hinblick auf das zu bearbeitende Werkstückmaterial auszugleichen.

Die Auswahl von Werkzeuggeometrien beinhaltet auch Kompromisse. Eine positive Schneidengeometrie und eine scharfe Schneidkante reduzieren die Schnittkräfte und maximieren den Spanfluss. Eine scharfe Kante ist jedoch nicht so stark wie eine abgerundete. Geometrische Merkmale wie T-Fasen und Fasen können manipuliert werden, um die Schneidkante zu stärken.

Eine in einem positiven Winkel eingestellte T-Fase – ein Verstärkungsbereich hinter der Schneidkante – kann ausreichend Festigkeit bieten, um bestimmte Operationen und Werkstückmaterialien zu handhaben und die Schnittkräfte so weit wie möglich zu minimieren. Eine Fase gleicht den schwächsten Teil einer scharfen Schneidkante aus, zum Preis erhöhter Schnittkräfte. „Harte“ Spanleitgeometrien führen die Späne durch einen relativ spitzen Winkel, um sie einzurollen und sofort zu brechen. Diese Geometrien können bei langspanenden Materialien effektiv sein, belasten jedoch die Schneidkante zusätzlich. „Weiche“ Spanleitgeometrien belasten die Schneidkante weniger, erzeugen aber längere Späne. Verschiedene geometrische Merkmale – sowie Werkzeugkantenbehandlungen wie Honen – können kombiniert werden, um die Schneidleistung in bestimmten Werkstückmaterialien zu optimieren.

Fazit

Es muss angemerkt werden, dass das Fertigungspersonal und vielleicht Produktionsingenieure zwar ziemlich besorgt über die Schnittbedingungen und die Produktivität sind, die sie darstellen, Manager auf höherer Ebene jedoch nicht so sehr an diesen Zahlen interessiert sind, als an den Geschäftszielen der Fertigungsbetriebe als Ganzes. Diejenigen, die die Schnittbedingungen und Schneidwerkzeuge auswählen, sollten zuerst über die breiteren Ziele der Bearbeitungsvorgänge ihres Unternehmens nachdenken und sie verwenden, um die Auswahl der Schnittbedingungen und Werkzeuge zu steuern, die eine Leistung bieten, die das Erreichen dieser Ziele ermöglicht.

Werkzeugvielfalt für moderne Produktionsszenarien

Die Fertigung verlagert sich aufgrund der zunehmenden Nutzung von Just-in-Time-Produktionsstrategien und der Zunahme des Outsourcings von der Massenproduktion mit hohem Volumen zu Szenarien mit hoher Produktvielfalt und geringeren Stückzahlen. Subunternehmer produzieren zunehmend kleinere Chargengrößen auf intermittierender, aber sich wiederholender Basis. Um Produktivität und Werkzeugkosten in Einklang zu bringen, sind Werkzeuge erforderlich, die Vielseitigkeit und Flexibilität über ein breites Anwendungsfenster hinweg bieten. Die Minimierung der Anzahl unterschiedlicher Werkzeuge in der Werkstatt reduziert die Werkzeughandhabungszeit und erhöht die verfügbare Zeit für Bearbeitungsvorgänge.

Der traditionelle Weg zur Steigerung der Produktivität in einem einzelnen Arbeitsgang mit langen Serien identischer Teile besteht darin, Werkzeuge einzusetzen, die speziell für diesen spezifischen Prozess entwickelt wurden. Das Entwerfen und Implementieren von Spezialwerkzeugen lohnt sich, wenn sich die Kosten über einen langen Produktionslauf amortisieren können.

Das Abwägen von Produktivitäts- und Werkzeugkostenüberlegungen in variablen Situationen mit kleineren Chargen ist jedoch besser mit vielseitigen „universellen“ Werkzeugen zu erreichen, die Flexibilität über ein breites Anwendungsfenster bieten. Diese Werkzeuge reduzieren Ausfallzeiten, indem sie die Zeit zum Einwechseln eines neuen Werkzeugs bei einem Werkstückwechsel minimieren. Sie beseitigen auch die Notwendigkeit, neue Tools einzurichten und zu testen.

Ein Beispiel für ein solches Werkzeug ist die Fräserserie Seco Turbo. Diese Werkzeuge bieten Vielseitigkeit in einer breiten Palette von Anwendungen, um eine Kombination aus Kosteneffizienz und hoher Leistung zu bieten. Die positive Schneidgeometrie der Fräser reduziert den Stromverbrauch, was zu einer längeren Standzeit des Werkzeugs und der Möglichkeit für größere Schnitttiefen und Vorschübe führt.

Ein weiterer Ansatz für universelle Werkzeuge besteht darin, einen Werkzeugsatz zusammenzustellen, der für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist. Seco Selection Tools sind auf Flexibilität ausgelegt. Die ausgewählte Gruppe umfasst eine begrenzte Anzahl von Werkzeugen, die nicht unbedingt in jeder Anwendung ein absolutes Maximum an Produktivität oder Kosteneffizienz bieten. Die Werkzeuge sind jedoch die beste und wirtschaftlichste Wahl, wenn maximale Flexibilität für die Bearbeitung einer sich schnell ändernden Vielzahl von Werkstückmaterialien und -komponenten gewünscht wird.

Zuvor auf SecoTools.com vorgestellt.