Werkzeuge für die CNC-Drehmaschine

Die CNC-Drehen (computergestützte numerische Steuerung) ist eine tragende Säule der modernen Fertigung. Dieser Prozess, bei dem ein Schneidwerkzeug Material von einem rotierenden Werkstück abträgt, um zylindrische Formen zu erzeugen, ist in anspruchsvollen Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automobil und Medizintechnik entscheidend. Das Potenzial von CNC-Maschinen entfaltet sich erst mit der richtigen Auswahl und Anwendung ihrer kritischsten Komponente: dem Schneidwerkzeug.

Das Schneidwerkzeug ist das Bindeglied zwischen Maschine und Werkstück, der Punkt, an dem digitale Anweisungen physische Realität werden. Eine fundierte Wahl von Schneidstoff, Geometrie und Spannsystem beeinflusst direkt alle Leistungskennzahlen:

• Maßgenauigkeit.

• Oberflächengüte.

• Dauer der Fertigungszyklen.

• Rentabilität und Wettbewerbsfähigkeit der Fertigung.

Werkzeugarten für CNC-Drehmaschinen

Um das breite Werkzeugangebot zu verstehen, muss man die Werkzeuge nach Funktion, Aufbau und Schnittrichtung einteilen.

Einteilung nach Bearbeitungsart

Diese Einteilung gruppiert die Werkzeuge nach der konkreten Aufgabe, für die sie entwickelt wurden. Zu den wichtigsten Arbeitsgängen gehören:

• Drehwerkzeuge (Längsdrehen): Zum Verringern des Außendurchmessers des Werkstücks.

• Plandrehwerkzeuge: Zum Bearbeiten der Stirnfläche des Werkstücks.

• Ausdrehwerkzeuge: Zum Vergrößern oder Fertigbearbeiten von Innendurchmessern.

• Einstechwerkzeuge: Zum Erzeugen von Nuten oder Einstichen bestimmter Breite.

• Abstechwerkzeuge: Zum Abtrennen des fertigen Werkstücks vom Rohmaterial.

• Gewindedrehwerkzeuge: Zum Erzeugen von Innen- oder Außengewinden.

• Fasenwerkzeuge: Zum Erzeugen einer abgeschrägten Kante.

• Formwerkzeuge: Mit einem bestimmten Profil, um komplexe Geometrien in einem einzigen Durchgang zu erzeugen.

Einteilung nach Bauart

Der physische Aufbau des Werkzeugs bestimmt seine Steifigkeit, seine Kosten und seine Modularität.

• Vollwerkzeug (einteilig): Das gesamte Werkzeug besteht aus einem einzigen Stück Werkstoff (z. B. HSS oder Vollhartmetall). Es bietet ausgezeichnete Steifigkeit, doch sobald die Schneide verschlissen ist, muss das ganze Werkzeug ersetzt oder nachgeschliffen werden.

• Gelötetes Werkzeug: Es besteht aus einer Spitze aus hartem Werkstoff (z. B. Hartmetall), die auf einen günstigeren Stahlschaft gelötet ist. Vor dem Siegeszug der Wendeschneidplattenwerkzeuge war dies eine verbreitete Lösung.

• Klemmhalter (Wendeschneidplattenhalter): Das dominierende System in der modernen CNC-Bearbeitung. Es besteht aus einem wiederverwendbaren Werkzeughalter, der eine austauschbare Wendeschneidplatte klemmt. Ist die Schneide verschlissen, wird die Platte schnell und kostengünstig gedreht oder ersetzt.

Einteilung nach Vorschubrichtung

Die „Händigkeit“ des Werkzeugs bestimmt, in welche Richtung es effektiv schneiden kann.

• Rechtes Werkzeug (Right-Hand): Die gängigste Ausführung, ausgelegt für die Bearbeitung mit Vorschub vom Reitstock (rechts) zum Spindelstock (links).

• Linkes Werkzeug (Left-Hand): Für die umgekehrte Bearbeitung ausgelegt, mit Schnitt vom Spindelstock zum Reitstock.

• Neutrales Werkzeug: Es hat keine bevorzugte Schnittrichtung und kann in beide Richtungen bearbeiten; nützlich für Profil- und Konturdrehen.

Die gängigsten Schneidstoffe für CNC-Werkzeuge

Die Leistung eines Werkzeugs hängt untrennbar von den Eigenschaften seines Schneidstoffs ab. Der ideale Schneidstoff vereint optimal Härte (Verschleißfestigkeit) und Zähigkeit (Bruchfestigkeit).

• Schnellarbeitsstähle (HSS): Komplexe Stahllegierungen mit höherer Zähigkeit als andere Schneidstoffe, wodurch sie Stöße und unterbrochene Schnitte aushalten. Sie werden bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, auf weniger steifen Maschinen und für weiche Werkstoffe wie Aluminium oder kohlenstoffarme Stähle eingesetzt.

• Hartmetalle (gesinterte Karbide): Sie sind beim CNC-Drehen am vielseitigsten und am weitesten verbreitet. Sie bestehen aus harten Wolframkarbid-Partikeln (WC), die in eine Kobaltmatrix (Co) eingebettet sind. Sie bieten ausgezeichnete Warmhärte und Verschleißfestigkeit und ermöglichen weit höhere Schnittgeschwindigkeiten als HSS.

• Cermets und Keramik: Cermets bieten eine höhere Verschleißfestigkeit als Hartmetalle und erzeugen außergewöhnliche Oberflächen; sie werden daher für das Schlichten mit hoher Geschwindigkeit bevorzugt. Keramik ist noch härter und hitzebeständiger und ermöglicht extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten, ist aber sehr spröde. Sie wird bei der Bearbeitung von Grauguss und gehärteten Stählen eingesetzt.

• Superharte Schneidstoffe (CBN und PCD):

• Kubisches Bornitrid (CBN): Der zweithärteste bekannte Werkstoff und die erste Wahl für das „Hartdrehen“ (Bearbeitung von Stählen mit über 45 HRC), Gusseisen und Superlegierungen.

• Polykristalliner Diamant (PCD): Der härteste verfügbare Schneidstoff. Er bietet eine unübertroffene Verschleißfestigkeit. Für die Stahlbearbeitung ist er wegen seiner chemischen Reaktivität mit Eisen ungeeignet. Eingesetzt wird er für Nichteisenwerkstoffe (Aluminium, Kupfer) und stark abrasive Werkstoffe (Verbundwerkstoffe, verstärkte Kunststoffe).

• Beschichtungen (PVD und CVD): Sehr dünne keramische Schichten, die auf ein Substrat (meist Hartmetall) aufgebracht werden, um dessen Oberflächeneigenschaften zu verbessern, ohne die Zähigkeit des Kerns zu beeinträchtigen.

• CVD (chemische Gasphasenabscheidung): Erzeugt dicke Beschichtungen, ideal zum Schruppen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten in Stahl und Guss.

• PVD (physikalische Gasphasenabscheidung): Erzeugt dünnere und glattere Beschichtungen, bevorzugt für das Schlichten und für Werkstoffe, die zum Anhaften an der Schneide neigen, wie rostfreie Stähle und Superlegierungen.

So wählen Sie das richtige Werkzeug für jeden Arbeitsgang

Die Auswahl des optimalen Werkzeugs sollte einem logischen und systematischen Ablauf folgen, damit alle kritischen Variablen berücksichtigt werden.

1. Analyse von Werkstück und Werkstoff: Ausgangspunkt ist immer das Werkstück. Der Werkstoff (Stähle, rostfreie Stähle, Gusseisen usw.) ist zu bestimmen, um die Sorte (Schneidstoff und Beschichtung) der Wendeschneidplatte auszuwählen. Außerdem sind Geometrie, Toleranzen und Anforderungen an die Oberflächengüte zu analysieren.

2. Festlegung des Arbeitsgangs: Die Bearbeitungsart (Längsdrehen, Einstechen usw.) ist festzulegen und klar zu unterscheiden zwischen Schruppen (Vorrang hat der Materialabtrag) und Schlichten (Vorrang haben Präzision und Oberflächengüte).

3. Auswahl der Plattengeometrie:

• Eckenwinkel: Ein großer Winkel (z. B. 80°) ergibt eine stabile Schneide, ideal zum Schruppen, während ein kleiner Winkel (z. B. 35°) bessere Zugänglichkeit für komplexe Profile bietet.

• Plattengröße: Sie sollte zur Schnitttiefe passen, um Stabilität zu gewährleisten.

• Eckenradius (RE): Ein großer Radius erlaubt höhere Vorschübe und ergibt eine stabilere Schneide, kann aber Vibrationen verursachen. Ein kleiner Radius verringert Vibrationen und ermöglicht bessere Oberflächen, begrenzt aber den Vorschub.

4. Auswahl von Sorte und Spanformer: Je nach Werkstoff und Arbeitsgang werden Hartmetallsorte und Beschichtung gewählt (CVD zum Schruppen von Stahl, PVD für rostfreie Stähle und Schlichten). Der Spanformer wird passend zum Vorschub- und Schnitttiefenbereich gewählt, um eine gute Spankontrolle zu sichern.

5. Auswahl des Werkzeughalters: Der Werkzeughalter sollte maximale Steifigkeit (möglichst kurze Auskragung) bieten und freien Zugang zum Bearbeitungsbereich ohne Kollisionsgefahr gewährleisten.

Tipps für den richtigen Einsatz von CNC-Drehwerkzeugen

Richtiger Einsatz und richtige Pflege sind entscheidend, um die Standzeit des Werkzeugs und die Effizienz des Prozesses zu optimieren.

Diagnose und Management des Werkzeugverschleißes

Verschleiß ist ein unvermeidlicher Prozess, der wertvolle Informationen über die Bearbeitung liefert. Die Überwachung des Verschleißes ist entscheidend, um katastrophale Ausfälle zu vermeiden. Häufige Verschleißarten und ihre Abhilfe:

• Freiflächenverschleiß: Hauptursache ist eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit. Abhilfe: Geschwindigkeit verringern oder eine verschleißfestere Sorte wählen.

• Kolkverschleiß: Bildung eines Kolks auf der Spanfläche des Werkzeugs durch hohe Temperaturen. Abhilfe: dickere Beschichtung (CVD) verwenden oder Geschwindigkeit verringern.

• Aufbauschneide (BUE): Werkstückmaterial, das an der Schneide verschweißt, typisch bei niedrigen Geschwindigkeiten. Abhilfe: Schnittgeschwindigkeit erhöhen oder eine glattere Beschichtung (PVD) verwenden.

• Ausbrüche/Schneidkantenausbrüche: Kleine Brüche an der Schneide, oft durch mangelnde Zähigkeit oder Vibrationen. Abhilfe: zähere Sorte wählen oder Vorschub verringern.

Einsatz von Kühlschmierstoffen

Der Kühlschmierstoff erfüllt mehrere Aufgaben: Temperatur senken, schmieren, vor Korrosion schützen und die Späneabfuhr unterstützen.

• Überflutungskühlung: Die klassische Methode, bei der eine große Kühlmittelmenge mit niedrigem Druck zugeführt wird.

• Hochdruckkühlung (HPC): Sie richtet Kühlmittelstrahlen mit hohem Druck direkt auf die Schneide. Sie ist äußerst wirksam beim Brechen und Abführen der Späne und ermöglicht deutlich höhere Schnittwerte.

Vorbeugende Wartung der Maschine

Eine schlecht gewartete Maschine kann Vibrationen oder Ungenauigkeiten verursachen, die zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen. Ein regelmäßiges Wartungsprogramm mit Reinigung, Kontrolle der Schmierstoffe, Prüfung der Ausrichtung und Kalibrierung der Achsen ist entscheidend für eine stabile und präzise Plattform, auf der die Werkzeuge einwandfrei arbeiten.