Werkzeugstandzeit maximieren: Wie Freiwinkel die Drehleistung beeinflussen

Sind Sie es leid, rautenförmige Schneidwerkzeuge für Freiwinkelarbeiten zu verbrennen? Wir untersuchen die Probleme, die durch Freiwinkel entstehen – und sprechen mit Schneidwerkzeugherstellern über die besten Wege, für Ihre Bedürfnisse zu optimieren.

Für allgemeine Dreharbeiten sind CNMG-Typ, 80-Grad-Rauten seit langem die Schneidplatte der Wahl. Sie sind weit verfügbar, vernünftig bepreist und bieten gute Werkzeugstandzeit in einer Vielzahl von Materialien. Sie erlauben dem Zerspaner auch, das Werkstück mit demselben Werkzeug zu planen und zu drehen, was Rüstungen vereinfacht und Zeitverlust durch Werkzeugwechsel reduziert. Wegen dieser Doppelfunktion befreien 80-Grad-Rauten mindestens eine Werkzeugstation – eine wichtige Überlegung bei überfüllten Drehrevolvern.

Status Quo: Negativer Freiwinkel beeinträchtigt Schneidwerkzeugstandzeit

Die Herausforderung kommt, wenn Werkstückmaterialien in die Kategorie „nicht viel Spaß zu schneiden“ fallen. Nickel- oder kobaltbasierte hitzebeständige Superlegierungen wie Inconel 718 und Kobalt-Chrom (CoCr), Ti-6Al-4V-Titan, die meisten Werkzeugstähle und 300er-Serien- oder PH-Edelstähle können eine Vielzahl von Problemen für Zerspaner erzeugen, einschließlich Aufbauschneide (BUE), übermäßiger Flankenverschleiß und besonders Schnittiefenkerben.

Unglücklicherweise sind diese Probleme etwas selbstverschuldet. Durch die Verwendung einer 80-Grad-Rautenschneidplatte schneidet der Drehzerspaner mit einem negativen 5-Grad-Freiwinkel-Werkzeug, was schlecht für die Werkzeugstandzeit ist – vorausgesetzt, der übliche „Planen und Drehen“-Werkzeughalter wird verwendet. Ob Fräsen oder Drehen, der Wechsel zu einem positiven Freiwinkel dünnt nicht nur den Span, sondern verteilt auch die Schneidkräfte über eine größere Länge des Hartmetalls, was die Versagensarten reduziert oder in einigen Fällen eliminiert.

„Werkzeuge mit negativen Freiwinkeln sind die am häufigsten angewendeten Drehwerkzeuge“, sagt Aaron Schade, Program Manager für das Knowledge Center Americas bei Kennametal. „Das heißt nicht, dass sie die besten sind, nur dass das alle nutzen. Weil Sie Freiraum in beide Richtungen haben, macht ein negativer Freiwinkel das Werkzeug vielseitiger – Sie können das Teil planen und dann bis zu einer Schulter drehen, wohingegen ein Werkzeug mit positivem Freiwinkel bedeutet, dass Sie für diese Operationen mit einem zweiten Werkzeug zurückkommen müssen.“

Rundherum: Der Wert runder Schneidplatten

Obwohl die Vorteile schwer zu quantifizieren sind, kann der Wechsel zu einem Werkzeug mit positivem Freiwinkel signifikante Verbesserungen der Werkzeugstandzeit bieten. Und wenn die Werkzeugstandzeit besser ist, steigt die Produktivität, entweder weil es weniger Ausfallzeiten gibt oder weil Vorschubraten signifikant erhöht werden können.

„Wir empfehlen runde Schneidplatten wo immer möglich, primär weil sie die kosteneffektivste Lösung für Kunden sind, die große Materialmengen in kürzester Zeit entfernen wollen oder wo Werkzeugstandzeit problematisch ist“, sagt Aaron-Michael Eller, Product Manager für ISO-Drehen und Hochleistungsmaterialien bei Seco Tools. „Bei einer geraden Drehung mit leichter Schnitttiefe können Sie leicht ein Dutzend oder mehr Indizes pro Schneidplatte erreichen und sie wie verrückt vorschieben.“

Deshalb bieten Kennametal, Seco Tools, Sandvik Coromant und alle Drehwerkzeughersteller Werkzeughalter an, die runde sowie verschiedene rautenförmige Schneidplatten mit 15-Grad-, 45-Grad- und 75-Grad-Freiwinkeln akzeptieren. Alle bieten die Möglichkeit, die Drehoperationen eines Shops dramatisch zu verbessern.

Nicht so schnell: Freiwinkel können Rattern und Werkzeugablenkung verursachen

Trotz der potenziellen Vorteile gibt es einen Nachteil – je positiver die Freiwinkel werden, desto mehr Werkzeugeingriff entsteht, was höhere Schneidkräfte erzeugt, die nun in radialer Richtung verschoben sind; der Zerspaner hat möglicherweise die Schnittiefenkerben eliminiert, steht aber möglicherweise vor Rattern und Werkzeugablenkung.

Außerdem bedeutet der Spanverdünnungseffekt, dass diese Späne schwerer zu kontrollieren sind, und höhere Vorschubraten werden wahrscheinlich nötig sein, um zu kompensieren. Es sind diese Überlegungen, plus die Tatsache, dass ein zweites Werkzeug erforderlich sein wird, um das Werkstück zu planen und die ungeschnittenen Bereiche angrenzend an Schultern auszuräumen, die erklären, warum die meisten Zerspaner den 80-Grad-Pfad des geringsten Widerstands wählen.

Während die Einführung einer positiven-Freiwinkel-Drehstrategie zweifellos ein Balanceakt ist und eine Reihe zeitaufwändiger Tests erfordern mag, um sie zu meistern, stimmen beide Experten zu – für die richtige Anwendung ist es den Aufwand wert.

„Ja, Sie brauchen ein ziemlich steifes Setup, und ja, Sie müssen Ihre Prozesse etwas anpassen, aber positive Freiwinkel bedeuten generell erhöhte Spanabtragsraten, Werkzeugstandzeit und Produktivität“, sagt Secos Eller.

Warum sind die richtigen Werkzeughalter so wichtig? Lesen Sie „Lektionen im High-Performance-Machining: Vergessen Sie die Werkzeughalter nicht.“

Keine Zauberformel für das optimale Schneidwerkzeug

Der erste Prozessschritt ist die Bestimmung des besten Freiwinkels. Dieser Prozess ist definitiv eine der Fälle, wo mehr nicht immer besser ist. Bei konstanter Schnitttiefe erhöht der Wechsel von einem negativen 5-Grad-Werkzeug zu einem mit positivem 45-Grad-Freiwinkel den Werkstückeingriff um satte 40 Prozent. Wiederum werden Anpassungen der Schneidparameter almost certainly nötig sein, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.

Da Schneidkräfte immer senkrecht zum Freiwinkel des Werkzeugs stehen, bedeutet Positivwerden größeren radialen Werkzeugdruck auf das Werkstück. Beim Drehen schlanker Wellen und dünnwandiger Teile in diesen Szenarien und bei den meisten Bohroperationen ist ein neutraler Freiwinkel meist am besten, da die Vorschubkräfte fast vollständig in der Z-Achse liegen. Es ist ein komplexer Trade-off. Leider gibt es keine Zauberformel, um das optimale Schneidwerkzeug zu bestimmen.

„Sie brauchen ein gutes Verständnis der Auswirkungen, die Freiwinkel auf Drehoperationen haben, aber gleichzeitig erkennen, dass die Teilkonfiguration auch eine kritische Rolle in der Werkzeugauswahl spielt“, sagt Schade. „Wenn es ein gerader Z-Achsen-Schnitt ohne Schultern und ohne Planen ist, gibt es wirklich eine unbegrenzte Anzahl an Werkzeugoptionen, während Unterschnitte, Profilieren, Schultern und andere Teilelemente limitieren, was mit einem einzelnen Werkzeug gemacht werden kann.“

„Alles in der Zerspanung ist anwendungsabhängig, und was am wichtigsten ist, ist, die verfügbaren Optionen zu erfassen und sie zu Ihrem besten Vorteil zu nutzen – der Wechsel zu einem positiven Freiwinkel ist eine solche Option“, sagt Schade.

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