Eine unwahrscheinliche, aber leistungsstarke Lösung

Jan 23, 2024

Eine der ersten Lektionen, die jeder Maschinist lernt, ist, dass Funken und Flammen im Bearbeitungsbereich schlecht sind – zum Beispiel ist es schlecht, den großen roten Knopf zu drücken und zum Feuerlöscher zu rennen. Und obwohl dies im Allgemeinen ein guter Rat ist, gibt es Situationen, in denen ein Strahl rotglühender Späne, die vom Werkstück wegfliegen, nicht nur wünschenswert ist, sondern auch eine Voraussetzung für eine produktive Bearbeitung ist. Willkommen in der Welt der keramischen Schneidwerkzeuge.

Eine solche „Heisser ist besser“-Erfolgsgeschichte stammt von Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvania, wo ein Kunde Berichten zufolge die Zykluszeit beim Fräsen eines Blocks aus Inconel 625 um unglaubliche 97 Prozent verkürzte. „Früher waren dafür drei Vollhartmetall-Enden erforderlich.“ Fräsen und mehr als 90 Minuten für die Bearbeitung des Teils“, sagte Martin Dillaman, Anwendungstechnik-Manager bei Greenleaf. „Nachdem wir auf unseren Vollkeramik-Schaftfräser XSYTIN-360 umgestiegen waren, dauerte es nur drei Minuten.“

Keramische Schneidwerkzeuge sind nichts Neues. Wie E. Dow Whitney von der University of Florida in dem Buch „Comprehensive Hard Materials“ erklärte, tauchten die ersten Keramiken in den frühen 1930er Jahren auf, als Maschinisten sie zum Drehen von Grauguss verwendeten. Doch aufgrund „des schwierigen Herstellungsprozesses von Keramik in Kombination mit ungeeigneten Werkzeugmaschinen und mangelnder Erfahrung“ würde es noch weitere vier Jahrzehnte Entwicklungsarbeit dauern, bis diese fortschrittlichen Schneidwerkzeuge in Hartdrehanwendungen nur begrenzt zum Einsatz kommen würden.

Seitdem hat der Einsatz von Keramikschneidwerkzeugen zugenommen, und für viele Betriebe sind sie zur Lösung der Wahl sowohl beim Drehen als auch beim Fräsen geworden. Gusseisen, gehärtete Stähle und – wie Dillaman betonte – Inconel, Hastelloy und andere hitzebeständige Superlegierungen (HRSAs) sind allesamt gute Voraussetzungen für keramische Schneidwerkzeuge. Und obwohl die meisten nicht die zuvor erwähnte Reduzierung der Zykluszeit um 97 Prozent bieten, kommen viele mit weitaus höheren Metallabtragsraten nahe als ihre Vollhartmetall-Äquivalente.

Bei solchen Produktivitätssteigerungen stellt sich die Frage: Warum erfreuen sich keramische Schneidwerkzeuge in Maschinenwerkstätten nicht größerer Beliebtheit? Laut Dillaman und den anderen für diesen Artikel befragten Experten lautet die Antwort: a) Keramikschneidwerkzeuge sind in erster Linie auf die gerade aufgeführten zähen, harten oder abrasiven Metalle beschränkt, b) sie erfordern den Einsatz sehr stabiler Werkzeugmaschinen und Werkzeuge und c) sie erfordern sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe, Anwendungsparameter, die einige Werkzeugmaschinen nicht erreichen können.

Diesen letzten Punkt hat Greenleaf kürzlich mit seiner XSYTIN-360-Vollkeramik-Schaftfräserreihe angegangen, die, wie Dillaman feststellte, mit 20 bis 25 Prozent niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten als bei herkömmlichen Keramiken eingesetzt werden kann. „Dank der Fähigkeit, die Wärme besser zu kontrollieren, ist keine so hohe Temperatur erforderlich wie bei Aluminiumoxid oder mit Whiskern verstärkter Keramik“, sagte er. „Für jemanden, der mit einem Fräser mit einem Durchmesser von 3/8 oder 5/16“ [9,53 oder 7,94 mm] fräst, bedeutet das, dass er mit 20.000 statt 25.000 U/min oder mehr arbeitet. Die niedrigeren Spindeldrehzahlen können für jemanden, der sich ein neues Gerät anschafft, einen großen Preisunterschied ausmachen.“

Schnelle Spindel hin oder her, Dillaman schlug vor, dass jede CNC-Drehmaschine oder jedes Bearbeitungszentrum, das mit Keramikschneidwerkzeugen ausgestattet ist, stabil und gut gewartet sein sollte, ebenso wie die Werkstückhalterung. Jegliche Vibration wirkt sich nachteilig auf Keramikeinsätze oder Vollwerkzeuge aus. Daher hängt der Erfolg oft davon ab, ältere Geräte zu meiden, bei denen Spindellager und Laufflächen möglicherweise „gerade genug Spiel“ haben, um Probleme mit der Werkzeuglebensdauer und unerwartete Ausfälle zu verursachen.

„Wenn man die mit Keramik verbundenen höheren Geschwindigkeiten und Vorschübe anwendet, werden deutlich etwaige Mängel im mechanischen System deutlich“, sagte er. „Tatsächlich stellen wir oft dramatische Leistungsunterschiede von einer Maschine zur anderen fest, obwohl wir genau die gleichen Parameter verwenden und die Maschinen selbst ansonsten identisch sind.“

Luke Pollock, Produktmanager bei Walter USA LLC, Waukesha, Wisconsin, hat auch einige relativ neue Sorten in seinem Keramiksortiment. Dazu gehören die Fräser MC275 und MC075 Prototyp, die beide mit gelötetem Kopf oder modularer „ConeFit“-Konfiguration erhältlich sind und beide für die Schruppbearbeitung von Superlegierungen auf Nickelbasis konzipiert sind. Ganz gleich, ob man Walters Schaftfräser oder eine Konkurrenzmarke verwendet, Pollock meinte jedoch, dass es vor allem einer Änderung der Denkweise bedarf. „Abhängig von der Legierung arbeiten Sie möglicherweise mit Schnittgeschwindigkeiten von 3.000 bis 4.000 Fuß pro Minute, und das ohne Kühlmittel“, sagte er. „Das bedeutet, dass Sie diesen großen Feuerball in der Maschine haben werden. Wenn Sie ihn zum ersten Mal sehen, werden Sie wahrscheinlich nach dem Stopp-Knopf suchen. Und anstatt 45 Minuten von einem Schaftfräser zu bekommen, brauchen Sie vielleicht.“ Sie müssen es nach 10 Minuten oder noch weniger austauschen, währenddessen wird es vielleicht 0,02" [0,51 mm] oder mehr am Durchmesser abnutzen. Es ist einfach ein ganz anderes Erlebnis als die Bearbeitung mit Hartmetall.“

Anders oder nicht, das sei alles völlig in Ordnung, fügte er hinzu, denn sobald die anfängliche Lernkurve hinter sich liege, werde der Maschinist schnell feststellen, dass er acht- bis zehnmal mehr Material pro Minute abtrage als mit Hartmetall. Dennoch ist es wichtig, Schneidwerkzeuge zu überwachen, unabhängig davon, aus welchem ​​Material sie bestehen. Pollock bemerkte, dass ein Schaftfräser bei Keramik möglicherweise „völlig verbrannt“ aussieht, aber immer noch gut schneidet.

Anstatt Werkzeuge aufgrund ihres Aussehens auszutauschen, sollten Bediener stattdessen auf die Maschine hören und auf die Füllmengenmesser achten, um Hinweise darauf zu erhalten, wann ein Keramikwerkzeug für den Papierkorb bereit ist. „Es ist überraschend, wie viel sie abnutzen und weiter schneiden können, aber es ist wichtig, sie herauszuziehen, bevor es zu einem katastrophalen Ausfall kommt“, sagte er.

Justin Messerschmidt, technischer Leiter für Schneidwerkzeuge bei Ceratizit USA Inc., Warren, Michigan, stimmte der Fähigkeit von Keramik zu, höheren Schnittgeschwindigkeiten und entsprechend hohen Vorschüben standzuhalten. Allerdings ist es bei weitem nicht so fehlerverzeihend wie Hartmetall und verträgt im Allgemeinen keine Vibrationen. Darüber hinaus muss Keramik innerhalb der relativ strengen Betriebsparameter des Herstellers aufgetragen werden, sonst ist alles verloren.

„Die Fähigkeit von Keramik, die Kantenfestigkeit bei hohen Temperaturen aufrechtzuerhalten, ist phänomenal, aber da es deutlich spröder als Hartmetall ist, ist es möglicherweise nicht die beste Wahl für unterbrochene Schnitte oder auf weniger leistungsfähigen Werkzeugmaschinen“, sagte Messerschmidt.

Trotz dieser Warnungen gab Robert Bokram, Produktmanager für Schneidwerkzeuge, einige Tipps für nicht optimale Bearbeitungssituationen. „Ceratizit ist sehr aktiv auf dem Automobilmarkt, wo Guss- und Schmiedeteile weit verbreitet sind“, sagte er. „Hier ist es wichtig, beim ersten Durchgang unter die Haut zu gehen und dann bei den folgenden Durchgängen die Schnitttiefe zu variieren, um den Verschleiß möglichst gleichmäßig über die Wendeschneidplatte zu verteilen. Wir empfehlen außerdem, möglichst große Schnitttiefe zu verwenden Stellen Sie bei Keramik den größtmöglichen Nasenradius ein und versuchen Sie, einen konstanten Werkzeugdruck aufrechtzuerhalten, um Stöße zu minimieren.“

Wie Pollock wies auch Bokram darauf hin, dass bei Keramik aufgrund der Sprödigkeit ein katastrophaler Ausfall wahrscheinlicher sei und dass Bediener routinemäßig auf Verschleiß prüfen sollten, bis ein stabiler Prozess erreicht sei. Ein Teil dieser Stabilität hängt von einer guten Hygiene des Werkzeughalters ab: Reinigen Sie die Tasche beim Wechseln der Einsätze gründlich, ersetzen Sie abgenutzte Klemmen und Unterlegscheiben lieber früher als später und verwenden Sie immer einen Drehmomentschlüssel, um die Schrauben des Werkzeughalters festzuziehen.

„Stabilität ist bei Keramikeinsätzen von entscheidender Bedeutung, aber sie haben im Allgemeinen keine Löcher und müssen anders geklemmt werden als Hartmetalleinsätze“, sagte Bokram. „Egal, ob es sich um eine Oberklemme oder eine Keilklemme handelt, es gibt eine Art Klauenkonstruktion, die es sicher an Ort und Stelle hält. Aber weil die Späne, die sich vom Werkstück lösen, so heiß und abrasiv sind, haben wir uns für eine übergroße Hartmetall-Oberklemme entschieden.“ verhindern den vorzeitigen Verschleiß, der bei Klemmteilen aus Stahl auftreten kann.“

Hohe Hitze kann andere Probleme verursachen, insbesondere da die meisten Keramikbearbeitungen ohne Schneidflüssigkeit durchgeführt werden. Beispielsweise sollten Werkstätten immer ein Staubsammelsystem verwenden, um Rauch und kleine Metallfeinteile zu entfernen, die bei der Trockenbearbeitung entstehen – unabhängig vom Schneidwerkzeug oder Werkstückmaterial – und es ist eine gute Idee, einen Feuerlöscher zur Hand zu haben.

Dieser letzte Ratschlag wurde bei einem kürzlichen Besuch von Bokram in einem Geschäft deutlich, das eine Keramikfräsanwendung in Inconel testen wollte. Das Problem bestand darin, dass sie am Tag zuvor bei einer anderen Arbeit Schneidflüssigkeit verwendet hatten und die getrockneten Kühlmittelrückstände auf den Maschinenoberflächen tatsächlich Feuer fingen, nachdem sie mit glühenden Spänen in Berührung gekommen waren. „Achten Sie darauf, die Werkzeugmaschine abzuwischen, bevor Sie mit Keramik schneiden, und stellen Sie sicher, dass sich im Arbeitsbereich nichts Entflammbares befindet“, sagte er.

Lothar Unglaub ist mit dem „dry only“-Ansatz nicht unbedingt einverstanden. Als Leiter des Marketing-Portfoliomanagements für Wendeschneidplatten bei Kennametal Europe GmbH, Rheinfall, Schweiz, hat er große Erfolge mit Hochtemperaturlegierungen und Keramiken erzielt, allerdings nur bei richtiger Anwendung. „Die Bearbeitung von Gusseisen erfolgt immer trocken, aber bei Materialien für die Luft- und Raumfahrt haben einige Kunden eine bis zu zehnfache Standzeit erreicht, indem sie die Schneidzone vollständig mit Hochdruckkühlmittel geflutet haben“, sagte er. „Die einzige Einschränkung besteht darin, dass es keine Lücken in der Flüssigkeitsabdeckung geben darf. Andernfalls kann es zu einem Thermoschock kommen, der zu einem schnellen Ausfall des Werkzeugs führt.“

Unglaub vergleicht Schneidwerkzeuge aus Keramik mit Kaffeetassen, da es relativ ungestraft möglich ist, immensen Druck aus einer Richtung auszuüben, wenn man jedoch von mehreren Seiten gleichzeitig drückt, versagt die Keramik. Aus diesem Grund ist ein stabiler Aufbau so wichtig, da er die Vibrationen eliminiert, die die meisten Schneidwerkzeuge, insbesondere aber solche aus Keramik, zerstören. Verwenden Sie zu diesem Zweck immer das kürzeste Werkzeug, das möglich ist. Dies ist ein guter Ratschlag, unabhängig davon, was Sie schneiden oder wie Sie es schneiden.

Ebenso wichtig seien Werkzeugwege, sagte er und empfahl die Anwendung bestimmter Programmiermethoden bei der Bearbeitung mit Keramikwerkzeugen. Wer beispielsweise versucht, einen Schlitz in einem einzigen Durchgang zu fräsen oder auf andere Weise einen „Hogging“-Ansatz anwendet, wird in der Regel keinen Erfolg haben. Stattdessen ist es weitaus besser, eine trochoidale Frässtrategie zu verfolgen, bei der kleinere, flachere Schnitttiefen, aber im Vergleich zum Hartmetall deutlich höhere Vorschübe und Geschwindigkeiten verwendet werden, wodurch deutlich mehr Material in der gleichen Zeit abgetragen wird.

Andere für diesen Artikel befragte Quellen unterstützten die Idee und fügten hinzu, dass Werkstätten einen Bogen in das Werkstück hinein- und herausziehen sollten, um Stöße zu reduzieren, das Eingraben von Werkzeugen in der Ecke zu vermeiden und alles Notwendige zu tun, um ein Nachschneiden von Spänen zu verhindern – in den meisten Fällen gelingt dies am besten mit einem kontinuierlichen Druckluftstoß. Unglaub stellte außerdem fest, dass Werkzeuge mit negativem Spanwinkel bei 90 Prozent aller Keramikbearbeitungsanwendungen bevorzugt werden, da diese die größte Kantenstabilität bieten. Schließlich schulen Sie Maschinenbediener nicht nur im Umgang mit Keramikschneidwerkzeugen, sondern auch darin, was sie zu erwarten haben, wenn sie den Zyklus starten.

„Jedes Mal, wenn ich mit einem neuen Kunden zusammenarbeite, sind sie schockiert, wenn der Funke überspringt“, sagte Unglaub. „Sie versuchen sofort, die Geschwindigkeiten und Vorschübe zu reduzieren, weil sie das Gefühl haben, dass etwas nicht stimmt. Das ist jedoch das Schlimmste, was man tun kann, weil Keramik einen ziemlich engen Arbeitsbereich hat. Also, wie ich und andere gesagt haben, achten Sie darauf.“ Beseitigen Sie Vibrationen und Überhänge, wenden Sie die empfohlenen Schnittparameter und Werkzeugwege an und achten Sie besonders darauf, die Einsatztasche zu reinigen und beim Spannen des Werkzeugs das richtige Drehmoment anzuwenden. Dies sind die Schlüsselpunkte für den Erfolg.“

Jason Wells ist Präsident und Chief Executive Officer von Kyocera SGS Tech Hub in Danville, Virginia, dem neu gegründeten Forschungs- und Schulungszweig von Kyocera SGS Precision Tools Inc., Cuyahoga Falls, Ohio. Er weist schnell darauf hin, dass die Muttergesellschaft Kyocera zwar über umfassende Erfahrung mit Drehwerkzeugen aus Keramik verfügt, SGS sich jedoch in der Vergangenheit auf Hartmetall konzentriert hat und dass Rundwerkzeuge und Fräsanwendungen aus Keramik in letzter Zeit zu einem fruchtbaren Boden für dieses 70 Jahre alte Unternehmen geworden sind.

Wells sagte: „Wir sehen ein enormes Potenzial für Keramikschneidwerkzeuge in den Luft- und Raumfahrt- und Automobilmärkten und haben daher mit mehreren verschiedenen Organisationen zusammengearbeitet – darunter NASA, Airbus, Siemens und CCAM (das Commonwealth Center for Advanced Manufacturing in Richmond, Virginia). – um Forschung im Bereich Hochleistungskeramik zu betreiben und die optimalen Geometrien, Qualitäten und Beschichtungen zu bestimmen, die für maximale Leistung erforderlich sind.“

Erste Ergebnisse verdeutlichen, wie wichtig es ist, die richtige Ausrüstung und das richtige Werkzeug für die Keramikbearbeitung zu verwenden – in einem Fall funktionierte eine Sorte, die auf einer Standardmaschine „kläglich versagt“ hatte, auf einer Maschine mit höheren Leistungsmerkmalen vollkommen gut, was die eingangs von Greenleaf gesagte Aussage von Dillaman bestätigte Dieser Artikel. Sie haben außerdem herausgefunden, dass die Fräspfade eine ebenso entscheidende Rolle für die Werkzeuglebensdauer spielen und dass eine effiziente Wärmeableitung ebenso wichtig ist.

Um diesen letzten Punkt anzugehen, hat Kyocera SGS mit dem japanischen Werkzeughersteller MST an einem speziellen „belüfteten“ Werkzeughalter speziell für Keramik-Rundwerkzeuge zusammengearbeitet. „Hochtemperaturlegierungen haben von Natur aus eine geringe Wärmeleitfähigkeit, daher ist der Wärmestau ein echtes Problem“, sagte Wells. „Das einzigartige Design des Werkzeughalters soll die Wärmeentwicklung in der Z-Achse eliminieren, die dadurch entstehen kann, dass die Maschinenspindel während des Fräsvorgangs überschüssige Wärme aufnimmt, und gleichzeitig das Werkzeug sicher und präzise greifen. Dies ist ein großartiges Beispiel für die Bemühungen.“ die wir und andere Hersteller in diesem Bereich herstellen, sowie die Möglichkeiten, die sich mit keramischen Schneidwerkzeugen ergeben.

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