Das Drehen mit numerischer Steuerung (CNC) ist ein grundlegender Pfeiler der modernen Fertigung. Dieser Prozess, bei dem ein Schneidwerkzeug Material von einem rotierenden Werkstück entfernt, um zylindrische Formen zu erzeugen, ist entscheidend in hochanspruchsvollen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik. Das Potenzial der CNC-Maschinen wird nur durch die richtige Auswahl und Anwendung ihrer kritischsten Komponente realisiert: der Schneidwerkzeug.

Das Schneidwerkzeug ist die Verbindung zwischen Maschine und Werkstück, der Punkt, an dem digitale Anweisungen in physische Realität umgesetzt werden. Die fundierte Wahl des Werkzeugmaterials, seiner Geometrie und seines Spannsystems beeinflusst direkt alle Leistungskennzahlen:

• Maßgenauigkeit.

• Qualität der Oberflächenbearbeitung.

• Dauer der Produktionszyklen.

• Rentabilität und Wettbewerbsfähigkeit des Betriebs.

Werkzeugtypen für CNC-Drehmaschinen

Um die breite Palette verfügbarer Werkzeuge zu verstehen, ist es notwendig, sie nach Funktion, Aufbau und Schnittführung zu klassifizieren.

Klassifikation nach Bearbeitungsoperation

Diese Klassifikation gruppiert die Werkzeuge nach der spezifischen Aufgabe, für die sie entwickelt wurden. Die Hauptoperationen umfassen:

• Drehwerkzeuge (Zylinderdrehen): Zum Reduzieren des Außendurchmessers des Werkstücks.

• Stirnwerkzeuge: Zum Bearbeiten der Stirnfläche des Werkstücks.

• Bördelwerkzeuge: Zum Vergrößern oder Fertigstellen von Innendurchmessern.

• Nutenwerkzeuge: Zum Erstellen von Kanälen oder Nuten mit einer bestimmten Breite.

• Abtrennwerkzeuge: Um das fertige Werkstück vom Rohmaterial abzutrennen.

• Gewindewerkzeuge: Zum Erzeugen von Innen- oder Außengewinden.

• Fasenwerkzeuge (Abschrägen): Um eine schräge Kante zu erzeugen.

• Formwerkzeuge: Mit einem spezifischen Profil, um komplexe Geometrien in einem einzigen Durchgang zu erstellen.

Klassifizierung nach Konstruktionsstruktur

Die physische Architektur des Werkzeugs definiert seine Steifigkeit, Kosten und Modularität.

• Monoblock-Typ (einteilig): Das gesamte Werkzeug ist aus einem einzigen Stück Material gefertigt (z. B. HSS oder Vollhartmetall). Bietet eine hervorragende Steifigkeit, aber wenn die Schneide verschlissen ist, muss das gesamte Werkzeug ersetzt oder nachgeschliffen werden.

• Lötart (gelötet): Besteht aus einer Hartmetallspitze (z. B. Hartmetall), die an einem günstigeren Stahlstiel gelötet ist. War eine beliebte Lösung vor dem Aufkommen der austauschbaren Werkzeuge.

• Klemmtyp (Plattenhalter oder austauschbar): Es ist das dominierende System in der modernen CNC-Bearbeitung. Es besteht aus einem wiederverwendbaren Werkzeughalter, der eine austauschbare Schneidplatte (Insert) hält. Wenn die Schneide verschlissen ist, wird die Platte schnell und kostengünstig gedreht oder ersetzt.

Klassifizierung nach Vorschubrichtung

Die „Handhabung“ des Werkzeugs bestimmt die Richtung, in der es effektiv schneiden kann.

• Rechtshändiges Werkzeug (Right-Hand): Es ist der gebräuchlichste Typ, ausgelegt für die Bearbeitung vorwärts vom Reitstock (rechts) zum Kopfstück (links).

• Linkshändiges Werkzeug (Left-Hand): Für den Rückwärtsbetrieb ausgelegt, schneidet es vom Kopfstück zum Reitstock.

• Neutrales Werkzeug: Hat keine bevorzugte Schneidrichtung und kann in beide Richtungen bearbeiten, was für Profilier- und Konturierarbeiten nützlich ist.

Am häufigsten verwendete Materialien in CNC-Schneidwerkzeugen

Die Leistung eines Werkzeugs ist untrennbar mit den Eigenschaften des Materials seiner Schneide verbunden. Das ideale Material sollte eine optimale Kombination aus Härte (Verschleißfestigkeit) und Zähigkeit (Bruchfestigkeit).

• Schnellarbeitsstahl (HSS): Es handelt sich um komplexe Stahllegierungen mit einer höheren Zähigkeit als andere Materialien, was ihnen erlaubt, Stöße und unterbrochene Schnitte zu widerstehen. Sie werden bei niedrigen Geschwindigkeiten, in weniger steifen Maschinen und für weiche Materialien wie Aluminium oder niedriglegierte Stähle verwendet.

• Hartmetalle (hartmetallgebundene Karbide): Sie sind die vielseitigsten und am häufigsten verwendeten Werkzeuge beim CNC-Drehen. Sie bestehen aus harten Wolframcarbid-Partikeln (WC), die in einer Kobaltbasis (Co) gebunden sind. Sie bieten eine ausgezeichnete Warmhärte und Verschleißfestigkeit und ermöglichen Schnittgeschwindigkeiten, die deutlich über denen von Schnellarbeitsstahl liegen.

• Cermets und Keramiken: Cermets bieten eine höhere Verschleißfestigkeit als Hartmetalle und erzeugen außergewöhnliche Oberflächenqualitäten, weshalb sie für Finish-Operationen bei hohen Geschwindigkeiten bevorzugt werden. Keramiken, die noch härter und hitzebeständiger sind, ermöglichen extrem hohe Schnittgeschwindigkeiten, sind jedoch sehr spröde. Sie werden bei der Bearbeitung von Grauguss und gehärteten Stählen eingesetzt.

• Superharte Materialien (CBN und PCD):

• Kubisches Bornitrid (CBN): Es ist das zweit härteste bekannte Material und die Wahl für das „Hartdrehen“ (Bearbeitung von Stählen mit einer Härte über 45 HRC), Gusseisen und Superlegierungen.

• Polykristalliner Diamant (PCD): Es ist das härteste verfügbare Werkzeugmaterial. Bietet eine unvergleichliche Verschleißfestigkeit. Nicht geeignet für die Bearbeitung von Stählen aufgrund seiner chemischen Reaktivität mit Eisen. Die Anwendung konzentriert sich auf NE-Metalle (Aluminium, Kupfer) und sehr abrasive Materialien (Verbundwerkstoffe, verstärkte Kunststoffe).

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

• CVD (Chemische Gasphasenabscheidung): Erzeugt dicke Beschichtungen, die ideal für das Schruppen mit hohen Geschwindigkeiten bei Stählen und Gusseisen sind.

• PVD (Physikalische Gasphasenabscheidung): Erzeugt dünnere und glattere Beschichtungen, die für Finish-Operationen und zur Bearbeitung von Materialien bevorzugt werden, die dazu neigen, am Schneidrand zu haften, wie Edelstahl und Superlegierungen.

Wie wählt man das richtige Werkzeug für jede Operation aus

Die Auswahl des optimalen Werkzeugs sollte einem logischen und systematischen Prozess folgen, um sicherzustellen, dass alle kritischen Variablen berücksichtigt werden.

1. Analyse des Werkstücks und Materials: Ausgangspunkt ist immer das Werkstück. Das Material (Stähle, Edelstahl, Guss, etc.) muss identifiziert werden, um den Grad (Material und Beschichtung) der Platte auszuwählen. Auch Geometrie, Toleranzen und Anforderungen an die Oberflächenqualität sind zu analysieren.

2. Definition der Operation: Es muss die Art der Bearbeitung (Zylinderdrehen, Nuten, etc.) bestimmt und klar unterschieden werden zwischen Schruppen (priorisiert Materialabtrag) und Feinbearbeitung (priorisiert Präzision und Oberflächenqualität).

3. Auswahl der Plattengometrie:

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

• Plattengröße: Er sollte proportional zur Schnitttiefe sein, um die Stabilität zu gewährleisten.

• Eckenradius (RE): Ein großer Radius ermöglicht höhere Vorschübe und eine stärkere Schneide, kann aber Vibrationen verursachen. Ein kleiner Radius reduziert Vibrationen und ermöglicht bessere Oberflächen, begrenzt jedoch den Vorschub.

4. Auswahl des Grades und des Spanbrechers: Basierend auf dem Material und der Operation werden der Hartmetallgrad und die Beschichtung ausgewählt (CVD für das Schruppen von Stählen, PVD für Edelstahl und Feinbearbeitung). Es wird ein Spanbrecher gewählt, der zum Vorschub- und Schnitttiefenbereich passt, um eine angemessene Spanabfuhr zu gewährleisten.

5. Auswahl des Werkzeughalters: Es sollte ein Werkzeughalter gewählt werden, der maximale Steifigkeit bietet (möglichst kurzer Überhang) und einen freien Zugang zum Bearbeitungsbereich ohne Kollisionsrisiko gewährleistet.

Tipps zur richtigen Verwendung von CNC-Drehwerkzeugen

Richtige Anwendung und Wartung sind entscheidend, um die Lebensdauer des Werkzeugs und die Prozesseffizienz 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 verhindern. Die gängigen Verschleißarten und ihre Lösungen sind:

• Flankverschleiß: Hauptsächlich verursacht durch zu hohe Schnittgeschwindigkeit. Die Lösung ist, die Geschwindigkeit zu verringern oder eine verschleißfestere Sorte zu wählen.

• Kraterbildung: Bildung eines Kraters auf der Werkzeugfläche, verursacht durch hohe Temperaturen. Die Lösung ist, eine dickere Beschichtung (z. B. CVD) zu verwenden oder die Geschwindigkeit zu reduzieren.

• Aufbauschneiden (BUE): Werkstückmaterial, das an der Schneide haftet, häufig bei niedrigen Geschwindigkeiten. Die Lösung ist, die Schnittgeschwindigkeit zu erhöhen oder eine glattere Beschichtung (z. B. PVD) zu verwenden.

• Ausbrüche/Absplitterungen: Kleine Risse an der Schneide, oft durch mangelnde Zähigkeit oder Vibrationen verursacht. Die Lösung besteht darin, eine zähere Sorte zu wählen oder den Vorschub zu reduzieren.

Anwendung von Kühlmitteln

Das Schneidfluid oder Kühlmittel hat mehrere Funktionen: Temperatur senken, schmieren, Korrosionsschutz bieten und beim Abtransport der Späne helfen.

• Flutkühlung: Dies ist die traditionelle Methode, bei der ein großes Volumen Kühlmittel mit niedrigem Druck angewendet wird.

• Hochdruckkühlung (HPC): Leitet Hochdruck-Kühlmitteldüsen direkt auf die Schneidkante. Es ist äußerst effektiv, um Späne zu brechen und abzuleiten, was signifikante Steigerungen der Schnittparameter ermöglicht.

Vorbeugende Maschinenwartung

Eine schlecht gewartete Maschine kann Vibrationen oder Ungenauigkeiten verursachen, die zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen. Ein regelmäßiges Wartungsprogramm, das Reinigung, Überprüfung der Schmierstoffe, Inspektion der Ausrichtung und Kalibrierung der Achsen umfasst, ist entscheidend, um eine stabile und präzise Plattform zu gewährleisten, damit die Werkzeuge korrekt funktionieren.