Effizientes Fräsen von gehärtetem Stahl: Wesentliche Strategien

Früher konnte beim Schruppen von gehärtetem Stahl nur sehr niedrige Schnittgeschwindigkeit und Vorschub sowie große Schnitttiefe und Werkzeugweg eingesetzt werden. Dieses Verfahren ist langsam und zeitaufwändig, und es können tiefe gestufte Werkzeugspuren auf dem Werkstück entstehen. Daher sind mehrfache nachfolgende Halbschlicht- und Schlichtfräsbearbeitungen erforderlich. Eine Alternative ist das Schruppen von Werkstücken mit niedriger Härte, dann Wärmebehandlung, und erneutes Spannen der gehärteten Werkstücke auf der Fräsmaschine, um Halbschlicht- und Schlichtfräsen durch mehrfaches Spannen abzuschließen. Eine weitere Methode ist das Erodieren (EDM) von gehärtetem Stahl, aber auch dieser Prozess ist sehr zeitaufwändig und kostspielig.

Heute ersetzt die Hochgeschwindigkeits-Hartfrästechnik mit kleiner Schnitttiefe und großem Vorschub zunehmend diese zeitaufwändigen und arbeitsintensiven traditionellen Prozesse. Die Werkstatt kann zunächst Bohrungen und Kühlkanäle im Formrohling herstellen, dann Wärmebehandlung durchführen und anschließend die Hochgeschwindigkeitsfrässtrategie anwenden, um Schruppen und Schlichten in einer einzigen Spannung abzuschließen. Hartfräsen hat eine hohe Metallabtragsrate. Da nach dem Schruppen ein fast-netzförmiges Werkstück erhalten werden kann, lässt sich der Aufwand für Halbschlichten und Schlichten stark reduzieren. Die bearbeitete Oberflächengüte beim Hartfräsen kann 10–12 RMS erreichen. Dieser Prozess kann die Produktionseffizienz erheblich steigern und die Kosten für mehrfaches Spannen und wiederholte Bearbeitung von Werkstücken senken.

Um die Hochgeschwindigkeits-Hartfrästechnik jedoch erfolgreich anzuwenden, ist es notwendig, die entscheidenden Einflussfaktoren gründlich zu verstehen und vollständig zu berücksichtigen.

Härte und Zerspanbarkeit des Werkstückmaterials

Der typische Härtebereich für gehärteten Stahl liegt meist bei HRC 48–65. Bei der Betrachtung der tatsächlichen Zerspanbarkeit repräsentiert die Rockwell-Härte jedoch nicht alles. Beispiel: Die Härte von D2-Werkzeugstahl beträgt ca. HRC 60–62, aber sein hoher Chromgehalt (11–13 %) erhöht die Zähigkeit des Materials, sodass seine Zerspanbarkeit eher einem Werkstückmaterial mit Härte HRC 62–65 entspricht. Für D2-Werkzeugstähle und ähnliche mehrkomponentige Legierungsstähle müssen die vom Werkzeughersteller bereitgestellten Schnittdaten verwendet werden, die allgemein für höherfeste Materialien gelten.

Konstanter Spandicke erhalten

Beim Fräsen (besonders beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von gehärtetem Stahl) ist der Schlüssel zur Verlängerung der Werkzeugstandzeit und Verbesserung der Teilequalität die Aufrechterhaltung der Konsistenz der Spandicke, die von der Schneide des Fräsers getragen wird. Spandicke = Vorschub ÷ Spindeldrehzahl × Schneidenzahl. Wenn sich die Spandicke zu stark oder unangemessen ändert (zu groß oder zu klein), wird der Fräser zu schnell verschlissen, gebrochen oder beschädigt.

Es ist besonders schwierig, eine konstante Spandicke beizubehalten, wenn die in der Formenherstellung üblichen dreidimensionalen Profile gefräst werden. Konventionelle Programmierungsmethoden nutzen meist lineare hohe Schnittgeschwindigkeit und großen Vorschub-Werkzeugweg, aber bei komplexen Profilen ändert sich die Last auf das Werkzeug ständig, und die Maschine kann die erforderliche Spandicke möglicherweise nicht halten. Beispiel: Wenn der Fräser den 90°-Winkel erreicht, verdoppelt sich sein Schneidwinkel, und die Schneidkraft nimmt ebenfalls zu. Wird der Vorschub nicht reduziert, wird der Fräser schnell verschlissen oder beschädigt. Um das sich ändernde Formenprofil zu fräsen, kann der Bearbeitungstechniker den Vorschub manuell über den Vorschub-Überlastregler reduzieren, oder das CAM-Bearbeitungsprogramm und das Maschinensteuerungssystem können gemeinsam den Vorschub auf ein vernünftiges Niveau reduzieren.

Indem das CAM-Programm und das Werkzeug auf der Maschine geladen und die Z-Höhe des Fräsers auf ca. 25,4 mm über dem Werkstück eingestellt wird, kann der Bearbeitungstechniker prüfen, ob der programmierte Vorschub erreicht werden kann. Der tatsächliche Vorschub kann durch einen Probelauf ermittelt werden. Grundlegende physikalische Prinzipien machen es unmöglich, den erforderlichen Vorschub und die Spandicke jederzeit beizubehalten. Eine nützliche Faustregel: Wenn die Haltezeit des programmierten Vorschubs weniger als 80 % der gesamten Bearbeitungszeit beträgt, muss die Spindeldrehzahl entsprechend reduziert werden, um eine konsistente Spandicke zu gewährleisten.

Werkzeuausschlag reduzieren

Beim Fräsen ist ein weiterer wichtiger, aber oft übersehener Faktor der Werkzeuausschlag. Allgemein gilt: Wenn der Ausschlag 0,01 mm (1/7 des Durchmessers eines menschlichen Haares) übersteigt, kann die Werkzeugstandzeit um die Hälfte verkürzt werden. Es ist sehr wichtig, den Werkzeuausschlag so weit wie möglich zu reduzieren, wenn Fräser mit sehr kleinen Abmessungen verwendet werden. Bei einigen kleinemessigen Fräsern verdoppelt ein Ausschlag von 0,01 mm die Spandicke, die auf eine einzelne Schneide wirkt, was zu beschleunigtem Verschleiß der Schneide führt. Obwohl einige Werkstätten teure Maschinen und hochwertige Werkzeuge verwenden, nutzen sie preiswerte Werkzeughalter mit geringer Präzision – ein wichtiger Grund für viele Bearbeitungsprobleme. Hochpräzise Werkzeughalter (einschließlich Schrumpfhalter, Hydraulikhalter etc.) können die negativen Auswirkungen des Werkzeuausschlags im Wesentlichen eliminieren.

Fortgeschrittene CAM-Software einsetzen

Die Bearbeitungsprogrammiersoftware ist essenziell, um eine konstante Spandicke zu halten. Im Vergleich zu niedrigeren Programmiersystemen kann das High-End-CAM-System mehr Datenpunkte zur Definition des Werkzeugpfads verwenden. Ein solches CAM-Programm kann auch das Ein- und Austreten des Werkzeugs steuern, sodass die auf die Schneide wirkende Schneidkraft auf einem vernünftigen Niveau gehalten wird. Obwohl High-End-CAM-Software meist teurer ist, übersteigen ihre Vorteile allgemein den höheren Anschaffungskosten.

Die Funktion des Maschinensteuerungssystems spielt ebenfalls eine wichtige Rolle für effizientes Fräsen. Um die Hochgeschwindigkeitsfrässtrategie effektiv umzusetzen, muss die Maschine starke Rechenleistung besitzen, um schnelle Änderungen der Bearbeitungsparameter, die das CAM-Programm vorgibt, vorausschauend und reibungslos zu handhaben. Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen muss das Steuer- und Servosystem der Maschine eine große Anzahl von Code-Blöcken mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten, um komplexe Maschinenbewegungsbefehle zu verfolgen und auszuführen – alte Controller und Server erfüllen diese Anforderung möglicherweise nicht.

Werkzeugstandzeit managen

Für die Werkzeugstandzeit beim Hochgeschwindigkeitsfräsen können unerwartete Ergebnisse erzielt werden, solange Spandicke, Werkzeuausschlag und andere Probleme (wie Maschinensteifigkeit) sorgfältig berücksichtigt werden. Beim Fräsen gehärteten Stahls kann die korrekte Anwendung des Fräsers die Werkzeugstandzeit verlängern. Natürlich ist die Definition der Werkzeugstandzeit auch ein zu berücksichtigender Faktor. Die Kundenanforderungen an die Oberflächengüte der Form können die Dienstzeit des Fräsers vor dem Werkzeugwechsel begrenzen.

Hohe Schneidetemperaturen wirken sich nachteilig auf die Werkzeugstandzeit aus. Daher kann beim Hochgeschwindigkeitsfräsen die Verwendung einer kleinen Schnitttiefe die Zeit verlängern, in der der Fräser aus dem Schnitt austritt, sodass die Schneide abkühlen kann – was die Werkzeugstandzeit verlängert. Beim Fräsen von Werkstückmaterialien mit Härte über HRC 48 wird zur Vermeidung von Thermoschock am Werkzeug meist Luftstrahlkühlung oder Ölnebel/Luftnebel anstelle von Kühlschmierstoff verwendet. Obwohl in manchen Fällen der Kühlschmierstofffluss Späne wegspülen und Nachschneiden vermeiden kann, ist Strahlkühlung zweifellos die bessere Option, da sie die Notwendigkeit beseitigt, dass das Werkzeug schnellen und starken Temperaturschwankungen standhalten muss.

Passende Schneidwerkzeuge auswählen

Wie der Entwicklungstrend der gesamten Industrie verlangen Formprodukte immer höhere Dimensionsgenauigkeit, und diese Anforderungen spiegeln sich in den Schneidwerkzeugen wider, die zur Bearbeitung von Formen und ihren Teilen verwendet werden. Vor einigen Jahren betrug der typische radiale Maßtoleranz eines Kugelkopffräsers 10 µm. Jetzt liegt er nahe bei 5 µm. Es ist schwierig, eine hohe Passgenauigkeit für Teile zu erreichen, die mit einem Kugelkopffräser mit geringer Formgenauigkeit bearbeitet werden. In der Formenbauindustrie mit strengen Genauigkeitsanforderungen (z. B. Versatzfehler von Flüssigsilikon-Extrusionsformen auf 2 µm reduziert) ist es sehr wichtig, fehler durch Werkzeuge zu vermeiden.

Da das Fräsen gehärteter Materialien viel Schnittwärme erzeugt, verwenden viele Hartmetall-Schaftfräser für Hartfräsen thermische Barriereschichten (z. B. AlTiN-Beschichtung). Zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit und Festigkeit nutzen diese Fräser meist ein hochhartes Mikrokorn-Hartmetall-Substrat (Kobaltgehalt 8 %), und die Schneide hat einen negativen Spanwinkel, um Schneidkantenabbrüche zu verhindern. Beim Feinfräsen können kubisches Bornitrid (CBN) Werkzeuge verwendet werden, und Wendeschneidplattenfräser eignen sich sehr gut für das Schruppen.

Mikrofräser können Mikromerkmale bearbeiten, die zuvor nur durch EDM realisierbar waren. Derzeit sind Fräser mit Durchmessern ab 0,1 mm erhältlich, und selbst ein so kleiner Fräser kann effektiv beim Hochgeschwindigkeitsfräsen eingesetzt werden, solange eine kürzere Nutenlänge gewählt wird.

Verschiedene Faktoren ganzheitlich ausbalancieren

Um die Produktionseffizienz und Bearbeitungsqualität beim Fräsen gehärteten Stahls zu maximieren, sollten präzise Werkzeuge, fortschrittliche CAM-Software, Hochleistungsmaschinen, hochpräzise Werkzeughalter und weitere Maßnahmen (wie Kühlschmierstoffersatz) umfassend angewendet werden. Werkzeug-, Maschinen- und Werkstofflieferanten sind meist bereit, ihre Expertise und Fähigkeiten einzubringen, um der Werkstatt zu einem echten Prozessausgleich und zum Erreichen der Produktivitätsziele zu verhelfen.