Hartmetalleinsätze werden in der metallverarbeitenden Industrie häufig für verschiedene Bearbeitungsvorgänge wie Drehen, Fräsen, Bohren und Bohren eingesetzt. Hartmetalleinsätze bieten im Vergleich zu anderen Schneidmaterialien wie Schnellarbeitsstahl (HSS) oder gelöteten Hartmetallwerkzeugen eine überlegene Leistung, Produktivität und Standzeit. Allerdings sind nicht alle Hartmetalleinsätze gleich. Bei der Auswahl des richtigen Hartmetalleinsatzes für Ihre spezifische Bearbeitungsanwendung sind viele Faktoren zu berücksichtigen, wie zum Beispiel:

  • Das Werkstückmaterial und seine Bearbeitbarkeit
  • Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe
  • Die Werkzeuggeometrie, z. B. Form, Größe, Kantenvorbereitung und Nasenradius
  • Art und Dicke der Beschichtung
  • Das Werkzeughalter- und Spannsystem

In diesem Blogbeitrag besprechen wir einige der Hauptaspekte der Auswahl von Hartmetalleinsätzen und geben einige Tipps und Empfehlungen, die Ihnen bei der Optimierung Ihrer Bearbeitungsergebnisse helfen.

Werkstückmaterial und Bearbeitbarkeit

Der erste und wichtigste Faktor, der bei der Auswahl eines Hartmetalleinsatzes berücksichtigt werden muss, ist das Werkstückmaterial und seine Bearbeitbarkeit. Unterschiedliche Materialien haben unterschiedliche Eigenschaften, wie z. B. Härte, Zähigkeit, Abrasivität, Wärmeleitfähigkeit und chemische Reaktivität, die sich auf den Verschleiß und die Ausfallarten des Schneidwerkzeugs auswirken. Stahl ist beispielsweise im Allgemeinen härter und abrasiver als Aluminium, Aluminium hat jedoch eine höhere Wärmeleitfähigkeit und eine geringere chemische Affinität zu Karbid. Daher sind für unterschiedliche Materialien unterschiedliche Hartmetallsorten und Beschichtungen erforderlich, um das beste Gleichgewicht zwischen Verschleißfestigkeit und Zähigkeit zu erreichen.

Die Bearbeitbarkeit eines Materials ist ein Maß dafür, wie leicht oder schwierig es ist, es mit einem bestimmten Schneidwerkzeug zu bearbeiten. Die Bearbeitbarkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise der Materialzusammensetzung, der Mikrostruktur, der Härte, der Festigkeit, der Duktilität und der Oberflächenbeschaffenheit. Die Bearbeitbarkeit wird häufig als Prozentsatz oder als Bewertung basierend auf einem Standardmaterial, beispielsweise Automatenstahl, ausgedrückt. Je höher die Bearbeitbarkeit, desto einfacher lässt sich das Material mit hoher Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe bearbeiten und desto länger ist die Werkzeugstandzeit.

Im Allgemeinen nimmt die Bearbeitbarkeit eines Materials mit zunehmender Härte und Festigkeit ab und umgekehrt. Allerdings gibt es einige Ausnahmen, wie zum Beispiel Gusseisen, das aufgrund seines Graphitgehalts eine hohe Härte, aber auch eine gute Bearbeitbarkeit aufweist. Einige Materialien wie Edelstahl, Titan und Legierungen auf Nickelbasis werden als schwer zerspanbare Materialien eingestuft, da sie sich schlecht zerspanen lassen und eine hohe Tendenz zu Werkzeugverschleiß und -ausfällen aufweisen. Diese Materialien erfordern spezielle Hartmetallsorten und Beschichtungen, die hohen Temperaturen, Drücken und chemischen Reaktionen an der Schneidkante standhalten.

Schnittgeschwindigkeit, Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe

Der zweite Faktor, der bei der Auswahl eines Hartmetalleinsatzes berücksichtigt werden muss, ist die Schnittgeschwindigkeit, der Vorschub und die Schnitttiefe. Dies sind die Hauptparameter, die die Schnittbedingungen und den Materialabtrag bei einem Bearbeitungsvorgang bestimmen. Sie beeinflussen auch die Temperatur, den Druck und die Spannung an der Schneidkante und damit den Werkzeugverschleiß und die Ausfallarten.

Die Schnittgeschwindigkeit ist die lineare Geschwindigkeit der Schneide relativ zur Werkstückoberfläche. Sie wird normalerweise in Metern pro Minute (m/min) oder Oberflächenfuß pro Minute (sfm) ausgedrückt. Die Schnittgeschwindigkeit ist abhängig vom Werkstückmaterial, dem Werkzeugmaterial, der Werkzeuggeometrie und der Beschichtungsart. Generell gilt: Je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto höher die Produktivität und desto geringer die Standzeit des Werkzeugs und umgekehrt. Allerdings gibt es für jede Material- und Werkzeugkombination einen optimalen Schnittgeschwindigkeitsbereich, bei dem die Standzeit maximiert und der Werkzeugverschleiß minimiert wird. Dieser optimale Schnittgeschwindigkeitsbereich kann durch Schnittversuche oder durch Rücksprache mit den Empfehlungen des Herstellers ermittelt werden.

Der Vorschub ist die lineare Strecke, die die Schneide pro Umdrehung der Spindel oder pro Zahn des Werkzeugs in das Werkstück vordringt. Sie wird beim Drehen üblicherweise in Millimetern pro Umdrehung (mm/Umdrehung) oder Zoll pro Umdrehung (ipr) und beim Fräsen in Millimetern pro Zahn (mm/Zahn) oder Zoll pro Zahn (ipt) ausgedrückt. Der Vorschub ist abhängig vom Werkstückmaterial, dem Werkzeugmaterial, der Werkzeuggeometrie und der Beschichtungsart. Generell gilt: Je höher der Vorschub, desto höher die Produktivität und der Materialabtrag, aber auch desto höher die Schnittkräfte und der Werkzeugverschleiß und umgekehrt. Allerdings gibt es für jede Material- und Werkzeugkombination einen optimalen Vorschubbereich, bei dem die Oberflächengüte und die Maßhaltigkeit optimiert und der Werkzeugverschleiß minimiert wird. Dieser optimale Vorschubbereich kann durch Schnittversuche oder durch Beachtung der Empfehlungen des Herstellers ermittelt werden.

Die Schnitttiefe ist die senkrechte Distanz, die die Schneidkante in das Werkstück eindringt. Sie wird normalerweise in Millimetern (mm) oder Zoll (in) ausgedrückt. Die Schnitttiefe hängt vom Werkstückmaterial, dem Werkzeugmaterial, der Werkzeuggeometrie und der Beschichtungsart ab. Generell gilt: Je höher die Schnitttiefe, desto höher die Produktivität und der Materialabtrag, aber auch die Schnittkräfte und der Werkzeugverschleiß und umgekehrt. Allerdings gibt es für jede Material- und Werkzeugkombination einen optimalen Schnitttiefenbereich, bei dem die Werkzeugstandzeit und die Werkzeugstabilität maximiert und der Werkzeugverschleiß und die Vibrationen minimiert werden. Dieser optimale Schnitttiefenbereich kann durch Schneidtests oder durch Konsultation der Herstellerempfehlungen ermittelt werden.

Werkzeuggeometrie

Der dritte Faktor, der bei der Auswahl eines Hartmetalleinsatzes berücksichtigt werden muss, ist die Werkzeuggeometrie wie Form, Größe, Kantenvorbereitung und Spitzenradius. Die Werkzeuggeometrie beeinflusst die Schnittleistung, die Oberflächengüte, die Maßhaltigkeit und die Standzeit der Wendeschneidplatte.

Die Form der Wendeschneidplatte bestimmt die Anzahl der Schneidkanten, die Spanbildung und die Spanabfuhr. Es stehen verschiedene Einsatzformen zur Verfügung, beispielsweise dreieckig, quadratisch, rhombisch, rund und unregelmäßig. Jede Form hat je nach Bearbeitungsvorgang und Werkstückgeometrie ihre eigenen Vor- und Nachteile. Dreieckige Wendeschneidplatten haben beispielsweise drei Schneidkanten und können zum Drehen, Einstechen und Gewindeschneiden verwendet werden. Allerdings haben sie einen kleinen Freiwinkel und eine schwache Schneidkante, was ihre Anwendung auf leichte und mittlere Bearbeitung beschränkt. Quadratische Wendeschneidplatten haben vier Schneidkanten und können zum Drehen, Fräsen und Planfräsen verwendet werden. Sie verfügen jedoch über einen großen Freiwinkel und eine starke Schneidkante, wodurch sie für schwere und unterbrochene Bearbeitungen geeignet sind.

Die Größe der Wendeplatte bestimmt die Festigkeit, Stabilität und Schnittkräfte des Werkzeugs. Die Größe des Einsatzes wird üblicherweise durch zwei Parameter ausgedrückt: den Inkreisdurchmesser (IC) und die Dicke (T). Der IC ist der Durchmesser des größten Kreises, der in die Wendeschneidplattenform eingeschrieben werden kann. Das T ist der Abstand zwischen der Ober- und Unterseite des Einsatzes. Generell gilt: Je größer die Wendeschneidplatte, desto stärker und stabiler ist das Werkzeug, aber auch desto höher sind die Schnittkräfte und der Stromverbrauch und umgekehrt. Daher sollte die Größe der Wendeschneidplatte entsprechend den Bearbeitungsanforderungen und den Maschinenmöglichkeiten ausgewählt werden.

Die Kantenvorbereitung der Wendeschneidplatte bestimmt die Schärfe, die Verschleißfestigkeit und die Zähigkeit der Schneidkante. Unter der Kantenvorbereitung versteht man die Veränderung der Schneidengeometrie durch Schleifen, Honen oder Beschichten. Es stehen verschiedene Kantenvorbereitungen zur Verfügung, z. B. scharf, geschliffen, abgeschrägt und abgerundet. Jede Kantenvorbereitung hat je nach Werkstückmaterial und Schnittbedingungen ihre eigenen Vor- und Nachteile. Scharfe Kanten weisen beispielsweise geringe Schnittkräfte und eine hohe Oberflächengüte auf, weisen aber auch eine geringe Verschleißfestigkeit und eine hohe Neigung zum Abplatzen oder Bruch auf. Geschliffene Kanten weisen eine hohe Verschleißfestigkeit und Zähigkeit, aber auch hohe Schnittkräfte und eine geringe Oberflächengüte auf. Abgeschrägte Kanten stellen einen Kompromiss zwischen scharfen und geschliffenen Kanten dar, mit moderaten Schnittkräften, Verschleißfestigkeit und Oberflächengüte. Abgerundete Kanten haben einen sanften Übergang zwischen den Span- und Freiflächenflächen, was die Spannungskonzentration verringert und die Standzeit des Werkzeugs verbessert.

Der Spitzenradius der Wendeschneidplatte bestimmt die Oberflächengüte, die Maßhaltigkeit und die Standzeit des Werkzeugs. Der Nasenradius ist der Radius des Bogens an der Spitze des Einsatzes. Generell gilt: Je größer der Nasenradius, desto besser die Oberflächengüte und die Maßhaltigkeit, aber auch desto höher die Schnittkräfte und der Werkzeugverschleiß und umgekehrt. Daher sollte der Spitzenradius der Wendeschneidplatte entsprechend der Oberflächenbeschaffenheit und den Maßhaltigkeitsanforderungen des Werkstücks ausgewählt werden.

Art und Dicke der Beschichtung

Der vierte Faktor, der bei der Auswahl eines Hartmetalleinsatzes berücksichtigt werden muss, ist die Art und Dicke der Beschichtung. Die Beschichtung ist eine dünne Schicht aus hartem und verschleißfestem Material, die durch physikalische oder chemische Gasphasenabscheidungsmethoden (PVD oder CVD) auf die Oberfläche des Hartmetallsubstrats aufgetragen wird. Die Beschichtung verbessert die Leistung und die Werkzeuglebensdauer der Wendeschneidplatte, indem sie Folgendes bietet:

  • Höhere Härte und Verschleißfestigkeit
  • Geringere Reibung und Adhäsion
  • Höhere thermische und chemische Stabilität
  • Höhere Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit

Es stehen verschiedene Beschichtungsmaterialien zur Verfügung, wie zum Beispiel Titancarbid (TiC), Titannitrid (TiN), Titancarbonitrid (TiCN), Aluminiumoxid (Al2O3) und diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC). Jedes Beschichtungsmaterial hat je nach Werkstückmaterial und Schnittbedingungen seine eigenen Vor- und Nachteile. TiC weist beispielsweise eine hohe Härte und Verschleißfestigkeit, aber auch eine hohe Sprödigkeit und eine geringe thermische Stabilität auf. TiN hat eine geringe Reibung und Haftung, aber auch eine geringe Härte und Verschleißfestigkeit. TiCN stellt einen Kompromiss zwischen TiC und TiN dar, mit mäßiger Härte, Verschleißfestigkeit, Reibung und Haftung. Al2O3 weist eine hohe thermische und chemische Stabilität, aber auch eine hohe Reibung und Adhäsion auf. DLC hat eine geringe Reibung und Adhäsion, aber auch eine geringe thermische und chemische Stabilität.

Die Dicke der Beschichtung bestimmt das Gleichgewicht zwischen der Verschleißfestigkeit und der Zähigkeit der Wendeschneidplatte. Generell gilt: Je dicker die Beschichtung, desto höher die Verschleißfestigkeit.