Innovative Werkzeugstrategien für überlegene Gusseisenbearbeitung

Dieses anspruchsvolle Material stellt einzigartige Anforderungen an Schneidwerkzeuge, aber eine Kombination aus F&E, Labortests und Ergebnissen realer Anwendungen führt zu effektiven Lösungen.

Gusseisen bleibt eines der schwierigsten Materialien zur Bearbeitung. Das liegt vor allem daran, dass es Inkonsistenzen in seiner Zusammensetzung aufweist und seine Struktur variiert, besonders an der äußeren Oberfläche. Dies führt zu signifikanten Schwankungen in der Zerspanbarkeit. Unterbrochene Schnitte oder instabile Maschinenbedingungen müssen möglicherweise auch bei der Gusseisenbearbeitung berücksichtigt werden. Diese Faktoren sind besonders herausfordernd für die Schneidwerkzeuge, besonders für Schruppwerkzeuge in der Großserienproduktion, wo Werkzeugstandzeit und Prozesszuverlässigkeit großen Einfluss auf Kosten haben.

Gusseisen wird nach wie vor stark genutzt, trotz der vermehrten Nutzung von Leichtmetalllegierungen. Der Aufstieg von Leichtmetalllegierungen bedeutet beispielsweise, dass Motorblöcke in Klein- und Mittelwagen heute oft aus Aluminium gefertigt sind. Bei größeren Fahrzeugen mit größeren Motoren von etwa zwei Litern Hubraum oder mehr müssten Aluminiummotorblöcke jedoch erheblich größer sein. In diesem Fall erlaubt Gusseisen dünnere Wände und einen kompakteren Motor. Dies ist ein wichtiger Faktor besonders für quer eingebaute Motoren.

Die Frage „Gusseisen oder Aluminium“ stellt sich nicht bei Dieselmotoren oder Nutzfahrzeugen. In diesem Bereich gibt es keinen Wettbewerb wegen der schwingungsdämpfenden Wirkung von Gusseisen, normalerweise in Form von Vermiculargusseisen (CGI). Dessen Festigkeit liegt zwischen Grauguss und Sphäroguss.

„Gusseisenbearbeitung ist ein sehr wichtiger Anwendungsbereich für uns“, sagt Gerd Kussmaul, Senior Product Manager für Drehen bei Walter. Ein Gefühl, das von anderen führenden Werkzeugunternehmen geteilt wird, besonders in den letzten Jahren, da die Autoindustrie nach effizienteren und zuverlässigeren Wegen drängt, diesen vitalen, aber schwierigen Werkstoff zu bearbeiten. „Darin haben wir mehrere Fokussektoren, wie die Automobilindustrie, allgemeine Industrie und Bauwesen, mit Komponenten wie Motorblöcken, Radnaben, Pumpen und Differential- oder Getriebegehäusen“, fügte er hinzu.

Die Nutzung von Gusseisen für dünnere Motorwände wurde bereits erwähnt. Das Bearbeiten dieser dünneren Wände induziert jedoch typischerweise Vibrationen. Deshalb werden Werkzeuge benötigt, die sowohl weichschneidend als auch robust sind. Um diese Mischung zu erreichen, müssen diese Werkzeuge bestimmte Eigenschaften haben, die erste davon ist eine Hochleistungsbeschichtung. Warum?

„Die Beschichtung muss eine optimierte Mikrostruktur haben, die erhöhten thermischen Verschleißwiderstand ermöglicht und maximale Werkzeugstandzeit und Schnittgeschwindigkeiten bietet“, antwortet er. „Zusätzlich eine spezielle Oberflächenbehandlung, die die Zugspannungen in der Beschichtung in Druckspannungen umwandelt.“ Dies ist darauf ausgelegt, die Zähigkeit des Schneidwerkzeugmaterials zu erhöhen, was die Zuverlässigkeit der Schneidkante erhöht, besonders beim Bearbeiten von Gusshaut. Sowohl Verschleißfestigkeit als auch Zähigkeit sind daher größer als bei konventionellen Beschichtungen.

Kussmaul betont, dass auch die richtige Schneidplattengeometrie entscheidend ist, da Makro- und Mikrogeometrie einer Schneidkante einen signifikanten Einfluss auf die Spanbildung und damit auf die resultierenden Schneidkräfte haben. Die Wahl der richtigen Geometrie für die Anwendung, vorzugsweise eine mit geschliffener Auflagefläche für sicheren Sitz der wendeschneidplatte, ist entscheidend. „Eine fortschrittliche Beschichtung zusammen mit optimierten Geometrien und den heutigen neuen Schneidwerkzeugwerkstoffsorten kann zu maximaler Schneidleistung und einer Steigerung der Werkzeugstandzeit um bis zu 75 Prozent führen“, sagt er.

Mehrere Schneiden fürs Fräsen

Vielleicht die Mehrheit der Werkstücke in der Gusseisenbearbeitung, und generell auch die größten, sind quaderförmig und daher eine Aufgabe für Fräsmaschinen oder Bearbeitungszentren. Eine der häufigsten Operationen ist das Planfräsen von Dicht- und Anlageflächen, wie Zylinderkopfflächen an Motorblöcken.

„In der Automobilindustrie ist es wichtig, so viele Flächen wie möglich in kürzester Zeit und mit Prozesszuverlässigkeit zu bearbeiten. Große Fräser mit mehreren Schneiden sind für die entsprechenden Spanabtragsraten erforderlich“, sagt Wolfgang Vötsch, Frässpezialist im Produktmanagement bei Walter.

Vötsch verweist auf das F4045 seines Unternehmens als Paradebeispiel für den Werkzeugtyp, der zur Maximierung der Gusseisenbearbeitungsproduktivität und Prozesszuverlässigkeit erforderlich ist. Die F4045-Schneidplatten bieten 14 nutzbare Schneiden, weil die symmetrischen Wendeschneidplatten nicht nur radial indiziert, sondern auch wendbar sind. Diese Eigenschaften machen einen hocheffizienten Gusseisenfräser aus, der die Schneidkosten senkt. Zusätzlich sorgt eine positive Gesamtgeometrie für niedrige Schneidkräfte und reduzierten Energieverbrauch.

Ein weiteres wünschenswertes Merkmal bei einem Fräser ist ein Schneidplatten-Keilklemmsystem, sodass die Wendeschneidplatte präzise und sicher in ihrem Sitz befestigt werden kann. Mit diesem Design schwenkt der Klemmkeil nach nur wenigen Umdrehungen der Klemmschraube zur Seite, um schnellen und einfachen Zugang zur Wendeschneidplatte zu ermöglichen.

„Handhabung ist von entscheidender Bedeutung für ein Werkzeug mit vielen nutzbaren Schneiden“, erklärt Vötsch. „Wenn die Wendeschneidplatten nicht schnell und einfach von Hand gewendet oder indiziert werden können, geht viel wertvolle Zeit verloren.“