Werkzeugauswahl und ‑parameter optimieren: Der Grundstein für Zerspanungsexzellenz

Einleitung

Obwohl die Teile, Werkstückwerkstoffe und Bearbeitungsprozesse, mit denen sie arbeiten, stark variieren, teilen alle Hersteller das Ziel, eine bestimmte Anzahl von Werkstücken in gewünschter Qualität, in einem festgelegten Zeitraum und zu angemessenen Kosten zu fertigen.

Hersteller erreichen ihre Ziele typischerweise durch ein enges Perspektivmodell, das mit Werkzeugauswahl und ‑anwendung beginnt und Probleme reaktiv löst. Die Umkehr dieses Ansatzes bringt Kostensenkungen und Effizienzsteigerungen. Statt auf Probleme zu warten und dann einzelne Bearbeitungsoperationen anzupassen, sollten Hersteller sich zuerst auf proaktive Vorplanung konzentrieren, die Ausschuss und ungeplante Stillstandszeiten eliminiert. Nach Etablierung eines stabilen und zuverlässigen Prozesses können die Konzepte der Produktionsökonomie angewendet werden, um ein Gleichgewicht zwischen Produktionsrate und Fertigungskosten zu erreichen. Dann lässt sich durch sorgfältige Auswahl von Schneidwerkzeugen und Bearbeitungsparametern der Betrieb voll optimieren und die Produktionsziele erfüllen.

Auswahl von Werkzeugen und Schnittbedingungen

Die Auswahl von Metallschneidwerkzeugen ist meist anwendungsorientiert: Ein Betrieb sucht ein Werkzeug, um einen bestimmten Werkstoff wie Stahl oder Aluminium zu bearbeiten, oder einen spezifischen Vorgang wie Schruppen oder Schlichten auszuführen. Ein vorteilhafterer Ansatz beginnt mit der Betrachtung, wie der Bearbeitungsvorgang in das Gesamtgeschäft des Herstellers passt.

Die erste Priorität eines solchen Ansatzes ist die Sicherstellung der Prozesszuverlässigkeit und die Eliminierung von Ausschuss und ungeplanten Stillständen. Zuverlässigkeit, generisch beschrieben, ist eine Frage der Regelbefolgung. Wenn ein Betrieb die Auswirkungen von Schnitt‑, Thermo‑ und Chemiekräften auf das Werkzeug nicht erkennt und respektiert, wird Zuverlässigkeit durch Werkzeugversagen ersetzt.

Nach Etablierung eines stabilen Prozesses sollten Werkzeugeigenschaften und Schnittbedingungen so gewählt werden, dass sie den übergeordneten Zielen des Metallbearbeitungsgeschäfts entsprechen. Beispielsweise kann die Maximierung der Ausbringung bei minimalen Kosten die primäre Überlegung in der Massenfertigung einfacher Teile sein. Andererseits muss in der hochgemischten, niedervolumigen Fertigung wertvoller komplexer Teile absolute Zuverlässigkeit und Genauigkeit vor Herstellungskosten betont werden. Flexibilität ist eine Anforderung an Werkzeugsysteme in solchen Kleinserien‑Szenarien.

Wenn Kosteneffizienz das primäre Ziel ist, muss das Werkzeug basierend auf niedrigen Kosten pro Schneide ausgewählt werden, und die Wahl der Schnittbedingungen muss im Gleichgewicht mit dieser Auswahl stehen. Bearbeitungsparameter sollten lange Standzeit und Prozesszuverlässigkeit betonen. Umgekehrt, wenn Werkstückqualität oberste Priorität hat, sind hochpräzise Hochleistungs‑Werkzeuge bei geeigneten Schnittbedingungen der richtige Ansatz. Was auch immer das Ziel ist – jede unterschiedliche Zielsetzung führt zur Auswahl unterschiedlicher Schnittbedingungen und Werkzeuge.

Auswahl und Anpassung der Schnittbedingungen

In der initialen Planung der Bearbeitung eines neuen Teils sollte die Auswahl von Werkzeugen und Schnittbedingungen mit der Betrachtung der Bearbeitungsmethode, Werkzeuggeometrie und Werkzeugwerkstoff beginnen. Das zu bearbeitende Teil bestimmt diese Anforderungen weitgehend. Beispielsweise kann eine nickelbasierte Luftfahrtkomponente Profilfräsen mit einem positiv‑geometrischen Vollhartmetall‑Schaftfräser diktieren. Die Wahl wird von den grundlegenden Zielen des Betriebs in Bezug auf Produktionsrate, Kosten und Qualität der Werkstücke geleitet und hängt von der Schnitttiefe, dem Vorschub und der Schnittgeschwindigkeit ab, die zur Erreichung dieser Ziele angewendet werden können.

Für die Modifikation bestehender Teilefertigungsoperationen, um bessere Ergebnisse in puncto Produktivität, Wirtschaftlichkeit oder Zuverlässigkeit zu erzielen, ist ein anderer Auswahlprozess適切. In diesen Fällen wird ein schrittweiser Ansatz empfohlen, beginnend mit Änderungen der Schnittbedingungen, dann Geometrien, Schneidwerkstoffe, Werkzeugkonzepte und schließlich Bearbeitungsmethoden. Bemerkenswert: Die meisten Betriebe arbeiten in der entgegengesetzten Reihenfolge und denken zuerst an Werkzeug‑ oder Methodenänderungen, wenn sie die Bearbeitungsergebnisse verbessern wollen.

Ein viel einfacherer und meist effektiver erster Ansatz beginnt mit der Änderung der Schnittparameter. Schnittbedingungen haben einen weiten Einflussbereich, und eine nominale Änderung von Schnittgeschwindigkeit oder Vorschub kann ein Problem lösen oder die Produktivität steigern – ohne den Aufwand oder die Zeit eines Werkzeugwechsels.

Wenn die Anpassung der Schnittparameter den gewünschten Effekt nicht bringt, können Änderungen an der Werkzeuggeometrie vorgenommen werden. Dieser Schritt ist jedoch komplizierter als die Parameteränderung, erfordert den Einsatz neuer Werkzeuge und erhöht Werkzeug‑ und Maschinenzeitkosten. Ein Wechsel des Schneidwerkstoffs ist eine weitere Alternative, involviert aber ebenfalls höheren Zeit‑ und Geldaufwand. Ein Wechsel der Werkzeuge oder Halter selbst kann notwendig sein, birgt aber die Gefahr, in den Bereich kundenspezifischer Werkzeuge vorzudringen, was die Fertigungskosten weiter erhöhen kann.

Wenn all diese Schritte nicht das gewünschte Ergebnis liefern, kann ein Wechsel der Bearbeitungsmethode notwendig sein. Der Schlüssel liegt darin, die Änderungen in einer bewussten, schrittweisen Weise zu erforschen, die klar macht, welche Faktoren tatsächlich das gewünschte Ergebnis erzeugen.

Weil es als schneller und einfacher Ansatz erscheint, nutzen viele Betriebe CAM‑Systeme zur Steuerung ihrer Werkzeugauswahl. Diese Methode ist in vielen Fällen effektiv, liefert aber möglicherweise keine optimalen Ergebnisse. Ein CAM‑System berücksichtigt nicht den vollen Umfang individueller betrieblicher Merkmale. Das Anwenden eines Fräsers ist nicht einfach ein Einstecken von Geschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe. Optimale Anwendung involviert Faktoren von der Zähnezahl des Fräsers über die Spanabfuhr und Werkzeugfestigkeit bis zur Stabilität der Fräsmaschine. Es ist notwendig, all diese Faktoren zu erkennen, um die Ziele eines Fertigungsbetriebs – seien es Spanabfuhrrate, Standzeit, Oberflächenrauheit oder Wirtschaftlichkeit – vollständig zu erreichen.

Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe

Viele Shopmanager glauben, dass eine bloße Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten mehr Teile pro Zeiteinheit produziert und damit die Fertigungskosten senkt. Doch es gibt mehr Elemente der Fertigungskosten als nur das Ausbringungsvolumen. Ein Beispiel ist ein Vorgang, bei dem ein Werkzeugwechsel mitten in der Operation schädliche Auswirkungen auf Teilequalität und Bearbeitungszeit hätte.

Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit führt zu schnellerer Produktion, aber die Standzeit sinkt. Die Bearbeitungskosten steigen durch häufigere Werkzeugwechsel und größere Maschinenstillstandszeiten während der Wechsel.

Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit verkürzt die Standzeit und kann einen Vorgang destabilisieren, während Änderungen an Schnitttiefe oder Vorschub minimalen Einfluss auf die Standzeit haben. Dementsprechend kommen die besten Ergebnisse aus einem ausgewogenen Ansatz, der reduzierte Schnittgeschwindigkeiten mit proportionalen Erhöhungen von Vorschub und Schnitttiefe kombiniert. Die Nutzung der größtmöglichen Schnitttiefe verringert die Anzahl der erforderlichen Schnittdurchgänge und damit die Bearbeitungszeit. Der Vorschub sollte ebenfalls maximiert werden, obwohl übermäßige Vorschübe die Werkstückqualität und Oberflächenbeschaffenheit beeinträchtigen können.

In einem verallgemeinerten Beispiel erhöht die Anhebung der Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min auf 200 m/min die Spanabfuhrrate nur um etwa 10 %, wirkt sich aber negativ auf die Standzeit aus. Die Erhöhung des Vorschubs von 0,2 mm/U auf 0,3 mm/U steigert die Spanabfuhrrate um 50 %, mit minimalem, wenn überhaupt, Einfluss auf die Standzeit.

In den meisten Fällen heben Erhöhungen von Vorschub und Schnitttiefe bei gleicher oder niedrigerer Schnittgeschwindigkeit die Spanabfuhrrate eines Vorgangs auf das Niveau, das durch höhere Schnittgeschwindigkeiten allein erreicht wird. Zu den Vorteilen der Arbeit mit einer Kombination aus niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten, höheren Vorschüben und geringerer Schnitttiefe gehört ein reduzierter 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 Feinjustierung der Erreichung dieses Kriteriums mittels Schnittgeschwindigkeit. Ein zu Beginn des 20. Jahrhunderts vom amerikanischen Maschinenbauingenieur F. W. Taylor entwickeltes Modell kann diese Wahl leiten.

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

Werkzeugsubstrat und Geometrie

Zusätzliche Schritte zur Optimierung der Werkzeuganwendung können die Feinabstimmung der Eigenschaften von Werkzeugsubstrat und Geometrie umfassen. Genau wie die Anpassung der Schnittbedingungen Kompromisse je nach gewünschtem Ergebnis erfordert, erfordert die Maximierung der Produktivität durch Änderungen am Werkzeugsubstrat eine Balance der Kompromisse unter den Substrateigenschaften.

Da die Schneide eines Werkzeugs härter sein muss als der Werkstoff, den es schneidet, ist Härte eine Schlüsseleigenschaft. Hohe Härte, besonders bei den bei Hochgeschwindigkeitszerspanung entstehenden Temperaturen, verlängert die Standzeit. Ein härteres Werkzeug ist jedoch auch spröder. Ungleichmäßige Schnittkräfte beim Schruppen, besonders bei unterbrochenen Schnitten mit Zunder oder variierenden Schnitttiefen, können ein hartes Schneidwerkzeug brechen. Instabilität in Maschine, Spannung oder Werkstück kann ebenfalls zum Versagen führen.

Umgekehrt erhöht die Erhöhung der Zähigkeit eines Werkzeugs – beispielsweise durch einen höheren Kobalt‑Binder‑Anteil – die Widerstandsfähigkeit gegen Schlag. Gleichzeitig macht die reduzierte Härte ein Werkzeug anfällig für schnellen Verschleiß und/oder Verformung bei Hochgeschwindigkeitsoperationen oder bei der Bearbeitung abrasiver Werkstücke. Der Schlüssel liegt darin, die Werkzeugeigenschaften im Licht des zu bearbeitenden Werkstückmaterials auszubalancieren.

Die Wahl der Werkzeuggeometrien beinhaltet ebenfalls Kompromisse. Eine positive Schneidgeometrie und eine scharfe Schneide reduzieren Schnittkräfte und maximieren den Spanfluss. Eine scharfe Kante ist jedoch nicht so stark wie eine abgerundete. Geometrische Merkmale wie T‑Lands und Fasen können manipuliert werden, um die Schneide zu stärken.

Ein T‑Land – ein verstärkender Bereich hinter der Schneide – in positivem Winkel eingestellt, kann ausreichende Festigkeit für spezifische Operationen und Werkstückmaterialien bieten und die Schnittkräfte so weit wie möglich minimieren. Eine Fase quadriert den schwächsten Teil einer scharfen Schneide, auf Kosten erhöhter Schnittkräfte. „Harte“ Spanbrechergeometrien leiten die Späne durch einen relativ spitzen Winkel, um sie sofort zu krümmen und zu brechen. Diese Geometrien können bei langspannenden Materialien effektiv sein, belasten aber die Schneide zusätzlich. „Weiche“ Spanbrechergeometrien belasten die Schneide weniger, erzeugen aber längere Späne. Unterschiedliche geometrische Merkmale – sowie Schneidenbehandlungen wie Rundungen – können kombiniert werden, um die Schneidleistung in spezifischen Werkstückmaterialien zu optimieren.

Fazit

Es sei angemerkt, dass während Shopfloor‑Personal und vielleicht Produktionsingenieure stark an Schnittbedingungen und der damit verbundenen Produktivität interessiert sind, höhere Managementebenen weniger an diesen Zahlen interessiert sind als an den Geschäftszielen der Fertigungsoperationen als Ganzes. Diejenigen, die die Wahl der Schnittbedingungen und Schneidwerkzeuge treffen, sollten zuerst über die übergeordneten Ziele der Unternehmens‑Zerspanungsoperationen nachdenken und diese nutzen, um die Auswahl von Schnittbedingungen und Werkzeugen zu steuern, die Leistung liefern, die das Erreichen dieser Ziele ermöglicht.

Werkzeugvielseitigkeit für moderne Produktionsszenarien

Die Fertigung bewegt sich von der hochvolumigen Massenproduktion hin zu hochgemischten, niedrigvolumigen Bearbeitungsszenarien – resultierend aus der vermehrten Nutzung von Just‑in‑Time‑Produktionsstrategien und dem Wachstum von Outsourcing. Subunternehmer produzieren zunehmend kleinere Losgrößen auf intermittierender, aber repetitiver Basis. Die Balance zwischen Produktivität und Werkzeugkosten erfordert Werkzeuge, die Vielseitigkeit und Flexibilität über ein breites Anwendungsfenster bieten. Die Minimierung der Anzahl unterschiedlicher Werkzeuge in der Werkstatt reduziert Werkzeughandlingszeit und erhöht die für Bearbeitungsoperationen verfügbare Zeit.

Der traditionelle Weg, die Produktivität in einem individuellen Vorgang mit langen Läufen identischer Teile zu steigern, besteht darin, speziell für diesen Prozess entwickelte Werkzeuge einzusetzen. Die Entwicklung und Implementierung von Sonderwerkzeugen lohnt sich, wenn der Aufwand über einen langen Produktionslauf amortisiert werden kann.

Die Balance zwischen Produktivität und Werkzeugkosten in variablen, kleineren Losgrößen wird jedoch besser mit vielseitigen „universellen“ Werkzeugen erreicht, die Flexibilität über ein breites Anwendungsfenster bieten. Diese Werkzeuge reduzieren Stillstandszeiten, indem sie die Zeit minimieren, die für den Wechsel auf ein neues Werkzeug beim Werkstückwechsel benötigt wird. Sie eliminieren auch die Notwendigkeit, neue Werkzeuge einzurichten und testlaufen zu lassen.

Ein Beispiel für solche Werkzeuge ist der Seco Turbo Fräser‑Bereich. 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 Energieverbrauch, was zu längerer Standzeit und der Möglichkeit für erhöhte Schnitttiefen und Vorschübe führt.

Ein weiterer Ansatz für universelles Werkzeug besteht darin, einen Satz von Werkzeugen zusammenzustellen, der eine Vielzahl von Anwendungen abdeckt. Seco Selection Werkzeuge sind darauf ausgelegt, Flexibilität zu bieten. Die ausgewählte Gruppe umfasst eine begrenzte Anzahl von Werkzeugen, die nicht unbedingt absolute maximale Produktivität oder Kosteneffizienz in jeder Anwendung bieten. Sie werden jedoch die beste und wirtschaftlichste Wahl sein, wenn maximale Flexibilität gewünscht ist, um eine sich schnell ändernde Vielfalt von Werkstückmaterialien und ‑komponenten zu bearbeiten.

Zuvor auf SecoTools.com veröffentlicht.