Metallbearbeitung meistern: Bewährte Strategien zur Überwindung zentraler technischer Herausforderungen

Beim Metallschneiden stehen Zeit und Qualität oft im Widerspruch zueinander. Teilequalitäts- und Maschinenprobleme erfordern möglicherweise einen Wandel des Status Quo, sagen Metallbearbeitungsspezialisten. Sehen Sie, wie drei Spezialisten systemische Herausforderungen diagnostizieren und behandeln.

Thermisches Rissbildung. Verformung. Kraterverschleiß. Nein, das sind keine Science-Fiction-Begriffe über öde Monde und Planeten, beschädigte Raumschiffe oder Beschreibungen seltsamer Aliens. Das sind Begriffe für hitzebedingte Ausfälle von Schneidwerkzeugen bei mikroskopischer Betrachtung. Doch es gibt viele andere Werkzeugschadenarten – einige durch mechanische Ausfälle.

Na und?, sagen Sie. Schneidwerkzeuge sollen ihre Arbeit tun und dann getauscht und verschrottet werden. Neues Werkzeug rein, weiterarbeiten, vergessen – oder? Wäre es doch so einfach. Ausgedehnter Werkzeugschaden ist oft Symptom größerer systemischer, vernetzter Faktoren – und erfordert die richtige Diagnose für die Behandlung.

MSC-Metallbearbeitungsspezialisten Ray Gavin, Brian Laffey und Mac Allsup sprachen kürzlich mit uns über häufige und seltene technische Schneidwerkzeug-Herausforderungen, die sie regelmäßig beobachten und untersuchen. Es ist absolut wahr, dass Schneidplatten verschleißen und ersetzt werden müssen, erklären sie. Das Problem ist, wie Hersteller ihre Schneidwerkzeuge in Maschinen einsetzen, um Qualitätsbauteile nach Produktionsplan zu liefern – also eine bestimmte Stückzahl pro Tag.

„Bei Kunden fangen wir an zu bewerten, wo sie stehen und wo sie hin müssen“, sagt Gavin. Auf grundlegendster Ebene geht es um das Verständnis ihrer Ziele: „Brauchen sie mehr Teile pro Tag oder wollen sie qualitativ hochwertigere Teile produzieren?“

Oft ist die Antwort beides, aber dann beginnen die Probleme – und wirken sich im Laufe der Zeit auf das Geschäft aus. Werkzeuge müssen häufiger getauscht werden – was anfangs nicht groß erscheint – aber dann kann die Maschinenstillstandzeit die Lieferung wirklich beeinträchtigen. Das Verständnis, wie man das zugrundeliegende Problem behandelt, kann tiefere Ursachenanalyse erfordern.

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Alltägliche Schneidwerkzeug- und Zerspanungsprobleme

Welche Probleme sehen sie täglich? Gemeinsam stellen diese Außendiensttechniker fest, dass Werkzeuge beschädigt werden und Teile nicht korrekt gefertigt werden, weil die richtige Kühlmittelapplikation fehlt, der Schneidwinkel oder die „Geometrie“ der Wendeschneidplatte nicht korrekt eingestellt ist – oder die Maschine nicht mit der richtigen Drehzahl für das zu bearbeitende Material und den Werkzeugtyp läuft.

Anekdotisch gesehen sind die häufigsten Ausfallarten mechanischer Natur im Gegensatz zu reinen Hitzeausfällen: Flankenverschleiß, Ausbrüche, Schnitttiefenkerben und Brüche. Temperatur ist jedoch fast immer ein Faktor bei allem, was mit Metallschneiden zu tun hat – daher könnte die Einteilung in Hitze- vs. mechanischen Verschleiß zu vereinfacht sein.

Ursachenanalyse ist nicht so binär wie Temperatur oder mechanischer Verschleiß – das spricht für die Komplexität der Diagnose von Metallbearbeitungsproblemen. Beim Metallschneiden sind Hitze und mechanische Probleme eng miteinander verbunden. Es bedeutet meist, dass die Ausfallursache mehr dem einen oder anderen Bereich zugeschrieben werden kann, erklären die Spezialisten.

Bei den hitzebedingten Ausfällen ist thermische Rissbildung eine der häufigeren. Warum? „Kühlmittel wird nicht korrekt an der Schneidstelle appliziert“, sagt Gavin. „Beim Spanen und Kühlmittelauftrag können die Späne selbst im Weg stehen. Innenkühlung (Through-the-tool cooling) kann helfen.“

Diese „an-der-Schneide“-Technologie ermöglicht Kühlmittelauftrag an zwei Positionen von oben und unten am Werkzeughalter. Bei Einsatz resultiert meist deutlich bessere Spankontrolle und geringeres Risiko für spanbedingte Verletzungen, wenn Zerspaner lange Spanstränge entfernen und sich schneiden, so Gavin.

Alle drei Spezialisten sehen sehr wenig Kraterverschleiß oder Verformung, aber es tritt bei Anwendungen mit Titan, Eisen und Hochtemperaturlegierungen sowie bei extrem hochgeschwindigen Operationen auf. Zur Veranschaulichung häufiger technischer Problemfelder hier mehrere reale Situationen, die die Spezialisten erlebten – und wie sie sie lösten.

Herausforderung: Bruch

Reales Beispiel: Ein großer Luftfahrthersteller zerspante Inconel (50 HRC) mit einem Stirnfräser. Das Bauteil hatte 50–60 Zoll Durchmesser, Zerspaner nutzten Hartmetallschneider und Fräsaufnahmen. Die Bearbeitung eines Teils dauerte 20 Stunden, weil das Material extrem zäh war – die Maschine musste sehr langsam laufen und stoppen, sobald die Werkzeuge unwirksam wurden. Werkzeugstandzeit war miserabel, Produktivität vorhersehbar schlecht.

Lösung: Laffey riet zu einem Keramik-Stirnfräser und einer leichten Anpassung des Schnittpfads für bessere Materialbearbeitung. Das Teil konnte nun in 4 Stunden gefertigt werden.

Ergebnis: Produktivität schoss in die Höhe: Bearbeitungszeit um 80 % reduziert – von 20 auf 4 Stunden.

„Obwohl der einzelne Werkzeugpreis doppelt so hoch war, war es schwer, gegen die gewonnene Zeit und die bessere Materialverträglichkeit zu argumentieren“, sagt Laffey.

Herausforderung: Aufbauschneide durch schlechte Spankontrolle, Schnitttiefenkerbe

Reales Beispiel: Ein großer Automatisierungs- und Energieerzeugungshersteller hatte eine große Maschine mit 36-Zoll-Spannfutter für sehr große Edelstahlteile. Späne wickelten sich um das Futter, verursachten viel Stillstand und verbrauchten Werkzeuge. Jedes Mal gab es 20 Minuten unproduktive Arbeit pro 30 Minuten Zykluszeit. Zudem unterschritt der Hersteller den Vorschub beim Hartmetall-Wendeplattendrehwerkzeug, was die Schneide aufbaute. Sicherheitsrisiko: Zerspaner griffen in die Maschine und schnitten sich. Sie nutzten Lederhandschuhe, keine schnittfesten.

„Ein guter Ort, um alle Probleme eines Werkzeugs zu sehen, ist der Recycling-Schrott des Kunden“, sagt Allsup. „Ich nutze eine 30-fach Lupenbrille, um genau zu sehen, was passiert. Hier hatten sie viel Aufbauschneide durch zu langsames Schneiden. Es war, als versuchten sie, gefrorene Butter mit einem Buttermesser zu schneiden. Das Material klebte an der Werkzeugbeschichtung.“

Lösung: Allsup empfahl Parameteränderung, Anpassung von Schnitttiefe und Schnittgeschwindigkeit, schärfere Geometrie, Erhöhung von Drehzahl und Vorschub.

„Sie hatten die richtige Sorte, aber ihre Schnitttiefe lag unter dem empfohlenen Niveau für diesen Spanbrechertyp“, sagt Allsup.

Ergebnis: Produktionsniveau normalisierte sich, Stillstandzeiten wurden vollständig eliminiert.

„Die Kosteneinsparung betrug 2.500 $, aber die Hauptersparnis kam durch das Stoppen der Maschine und Entfernen der Späne alle 15 Minuten“, sagt Allsup. „Die Prozessänderungen ermöglichten dem Kunden, das Teil ohne Maschinenstopp und ohne Sicherheitsrisiko fertigzustellen.“

Herausforderung: Ausbrüche, Brüche

Reales Beispiel: Ein Luftfahrt-Unterauftragnehmer fräste ein großes Triebwerksteil – 30 Zoll Durchmesser mit 36 Taschen auf einer horizontalen CNC-5-Achsen-Maschine. Die Taschen bestanden aus einem sehr harten nickelbasierten Legierung, Rene 41, das Laffey als „gemein und weigert sich fast, bearbeitet zu werden“ beschreibt. Mit dem verwendeten Schaftfräser schafften die Zerspaner nur vier Taschen, bevor das Werkzeug zerstört war – und hatten kaum Möglichkeit, den Zustand einzuschätzen. Der Hersteller musste die Maschine stoppen, neues Werkzeug einrichten, Testschnitt machen – sehr zeitaufwendig und frustrierend.

Lösung: Laffey riet zu einem Wechselkopf-Schaftfräser mit Werkzeugklemmung und Gewindeende, der sich leicht ein- und ausschrauben lässt – für einfacheren Werkzeugwechsel und Setup. Der Hersteller konnte nun 10 Taschen pro Lauf bearbeiten statt vier.

Ergebnis: Der Hersteller gewann 24 Stunden pro Woche zurück. Die Zeitersparnis entspricht drei 8-Stunden-Schichten.

„Der Werkzeugpreis stieg von 25 $ auf 75 $, um 24 Stunden zurückzugewinnen“, sagt Laffey. „Die Rechnung war ein No-Brainer, ebenso die Steigerung der Taschen pro Werkzeug. Und sie mussten nicht neu einmessen, kein Testschneiden, keine neue Messung – nur durch Änderung des Spannmechanismus konnten sie besser mit dem Teil arbeiten … Sie wussten nicht, dass diese Spanntechnologie existiert.“

Herausforderung: Schlechte Oberflächenqualität, kurze Werkzeugstandzeit

Reales Beispiel: Ein großes Luftfahrtunternehmen fertigte Spezialteile aus 17-4 PH Edelstahl bei ca. 40 ipm (Zoll/min) in einer Zelle von vier Maschinen im 24/7-Betrieb. Es wurde Hochgeschwindigkeitsfräsen mit Kugelkopffräsern auf einer 4-Achsen-Maschine mit A-Achsen-Rotation bei hohem Volumen durchgeführt. Wichtigster Faktor: maximale Teileausbringung. Doch Oberflächenqualität war schlecht, Werkzeugstandzeit schwach.

Lösung: Gavin riet zu Hochvorschubfräsern und einem anderen Profilieransatz. Er arbeitete mit dem Hersteller an einer vollständigen Neuprogrammierung des Werkzeugpfads.

„Wir gingen 180 Grad anders vor und dachten aus der Box“, sagt Gavin. „Wir konnten die ‚Time-in-cut‘ drastisch senken.“

Ergebnis: Zykluszeit sank von ca. 18 Minuten pro Teil auf 4,5 Minuten. Schnittgeschwindigkeit stieg von 40 ipm auf 300 ipm. Stückkosten sanken um fast 300 %.

Ein weiterer Effekt: Eine andere Abteilung auf dem Campus hörte von den Verbesserungen und setzte denselben Ansatz auf acht weiteren Maschinen um.

Schneiden Ihre Maschinen so optimal, wie Sie es gerne hätten? Wie geht Ihr Betrieb mit Ausgabproblemen an der Maschine um? Teilen Sie Ihre Erfahrung.