Auswahl von PKD- und CBN-Wendeschneidplatten

Einsätze aus kubischem Bornitrid eignen sich am besten für leichte Vorschlicht- und Endbearbeitungsvorgänge.

Die Herstellung der härtesten Fräser der Welt erfordert einige intensive Prozesse und Chemie. Werkzeuge aus polykristallinem Diamant (PKD) und kubisches Bornitrid (CBN) stehen auf Platz eins bzw. zwei auf der Liste der härtesten Einsatzmaterialien, ihre Zusammensetzung ist jedoch recht unterschiedlich.

Ohne auf die eigentlichen Details der Chemie einzugehen, werden extreme Hitze, Sintern und Druck eingesetzt, um die verschiedenen Qualitäten dieser Einsätze basierend auf ihrem Material-zu-Bindungs-Verhältnis zu formen.

BIG Daishowa, das auf Halter spezialisiert ist, aber auch CBN- und PKD-bestückte Wendeschneidplatten mit kundenspezifischen Spanbrecherformen für seine Bohrwerkzeuge anbietet, erhält häufig Fragen zu dieser Art von Werkzeugen. Matt Tegelman, leitender Produktspezialist, wurden einige der häufigsten Fragen gestellt. Hier teilen wir seine Antworten.

F: Wie beschreiben Sie als Werkzeughalter-Experte die Bedeutung der Schnittstelle Werkzeug/Halter? A: Für PKD und CBN sind nur die stabilsten Bedingungen geeignet. Mit einer hohen Härte gehen sehr spröde Eigenschaften einher. Wenn die Steifigkeit des Werkzeugs oder der Vorrichtung nicht ideal ist oder wenn ein Werkstück durch übermäßige Hohlräume starke Oberschwingungen aufweist, können sich Vibrationen im Schnitt bemerkbar machen. Dies führt zu einer schlechten Standzeit der Diamantschneide. In diesen Fällen ist es am besten, bei Hartmetalleinsätzen zu bleiben.

F: Was ist der größte Unterschied zwischen PKD- und CBN-Wendeschneidplatten?A: Bei Aluminium- und Magnesiumanwendungen sowie bei Kohlefaserteilen sollte eine PKD-Wendeschneidplatte die erste Wahl sein, da ihre extreme Härte in diesen Nichteisenmaterialien für eine sehr lange Werkzeugstandzeit sorgt.

Da es sich um einen synthetischen Diamanten (nahezu reiner Kohlenstoff) handelt, kann er nicht zur Bearbeitung von Eisenwerkstoffen wie Stählen und Gusseisen verwendet werden, da Kohlenstoffatome bei Temperaturen über 700 Grad Fahrenheit mit dem Teilmaterial unter Bildung von Eisenkarbid reagieren und das verursachen Diamantstrukturen zum Einsturz bringen.

PKD ist insbesondere dann erforderlich, wenn Aluminium einen Siliziumgehalt von mehr als 5 Prozent aufweist, um der Abrasivität, die zu Verschleiß führt, standzuhalten.

CBN verwendet Bor als Primärelement. Während Bor eine ähnliche Kristallstruktur wie Kohlenstoff aufweist, fehlt ihm seine Affinität zu Eisen.

Es ist das zweithärteste bekannte Material und verträgt Schnitttemperaturen über 1.800 Grad F. CBN eignet sich für die Stahl- oder Eisenbearbeitung und ist eine der ersten Wahlen für die Bearbeitung von gehärteten Stählen, die in der Regel über mindestens 50 HRC liegen und dies auch sein sollten Wird nur zur Endbearbeitung verwendet. Jeder unterbrochene Schnitt erfordert ein möglichst stabiles Werkzeug, sonst funktioniert es nicht gut.

CBN gibt es in verschiedenen Qualitäten, denen Bindemittel wie Keramik und Metalle zugesetzt werden, um die Eigenschaften zu verändern. Für bestimmte Eigenschaften können auch die Korngrößen der Kristallstruktur angepasst werden. Ein hoher CBN-Gehalt mit ultrafeinen Korngrößen ist die härteste Kombination und eignet sich für die kontinuierliche Bearbeitung von gehärtetem Gusseisen und pulverförmigen Metallen.

Werkzeuge aus kubischem Bornitrid gibt es in verschiedenen Qualitäten, denen Bindemittel wie Keramik und Metalle zugesetzt werden, um die Eigenschaften zu verändern.

Auch CBN-Wendeschneidplatten können beschichtet werden. Für die Bearbeitung von gehärteten Stählen empfiehlt sich beispielsweise ein mittelkörniger CBN-Werkstoff mit TiCN-Beschichtung.

F: Was ist die beste minimale/maximale Schnitttiefe für PKD- und CBN-Wendeschneidplatten? A: PKD- und CBN-Wendeschneidplatten sind am besten für leichte Vorschlicht- und Endbearbeitungsvorgänge reserviert. Ich würde im Allgemeinen einen Durchmesser von maximal 0,040 Zoll und einen Mindestdurchmesser von 0,004 Zoll empfehlen, abhängig vom Spitzenradius der Wendeschneidplatte.

F: Welche Beziehung besteht zwischen der Oberflächengüte und dem Eckenradius eines Werkzeugs? A: Ein größerer Nasenradius führt bei gegebener Vorschubgeschwindigkeit zu einer besseren Oberflächengüte. Je größer der Radius ist, desto schneller können Sie das Werkzeug vorschieben und trotzdem ein gutes Finish erzielen. Der Kompromiss besteht im Werkzeugdruck. Ein größerer Radius führt zu einer stärkeren Durchbiegung des Werkzeugs und kann ab einem bestimmten Punkt zu Rattern führen. Der Trick besteht darin, den größten Radius zu finden, der zu ratterfreien Ergebnissen führt.

Eine Möglichkeit, dies zu umgehen, ist die Verwendung einer Wiper-Geometrie, die mittlerweile für einige PKD- und CBN-Wendeschneidplatten angeboten wird. Ein Wiper ist ein sekundärer, kleinerer Radius oder eine Reihe kleinerer Radien, die dem Haupteckenradius folgen, um das Wellenprofil des Haupteckenschnitts zusätzlich zu glätten. Dies ist eine Möglichkeit, ein besseres Verhältnis von Vorschub zu Oberflächengüte zu erzielen.

F: Sollte bei PKD- und CBN-Wendeschneidplatten Kühlmittel verwendet werden? A: Entweder viel oder gar kein Kühlmittel verwenden. Der thermische Bruch dieser Materialien erfolgt bei großen Temperaturschwankungen. Wenn das Kühlmittel effektiv eingesetzt wird, trägt es dazu bei, die Standzeit des Werkzeugs zu verlängern und die Spanabfuhr zu verbessern. Wenn das Kühlmittel nicht mit gleichmäßigem Fluss auf den Schneidvorgang geleitet werden kann, wirkt sich dies nachteilig auf den Betrieb aus.

F: Spielt die Kantenvorbereitung bei PKD- und CBN-Wendeschneidplatten eine Rolle? A: Aufgrund der extremen Prozesse, die zur Herstellung dieser sehr harten Schneidmaterialien verwendet werden, ist die Kantenvorbereitung sowohl für CBN- als auch für PKD-Werkzeuge wichtig, sowohl für die Verstärkung als auch für die Spankontrolle. Darüber hinaus werden bei fast jedem Werkzeug vor der Kantenvorbereitung immer mikroskopisch kleine Kantenfehler festgestellt. Wenn eine hohe Leistung erforderlich ist, wie es bei diesen Schneidgeräten häufig der Fall ist, beseitigt die Vorbereitung Fehler, die zu einer unregelmäßigen Leistung führen.

PKD- und CBN-Wendeschneidplatten werden mittlerweile mit fast so vielen Kantenvorbereitungsarten angeboten wie Hartmetall-Wendeschneidplatten. Sie sind nach „Land“-Typen kategorisiert und jeder Typ bietet Vorteile für bestimmte Materialien und Schnittbedingungen.

F: Wie ordnet man einen Grundstückstyp einer Anwendung oder einem Material zu? A: Die meisten Kantenvorbereitungen bestehen immer noch aus einer Radiusverfeinerung, und normalerweise wird ein kleinerer Radius bevorzugt, damit mehr Material an der Schneidkante verbleibt, was zu einer längeren Werkzeuglebensdauer führt. Bei einem Wasserfallschliff wird der Radius verzerrt, sodass mehr Material unter der Schneidkante verbleibt, um diese für schwerere Schnitte oder Anwendungen mit unterbrochenem Schnitt zu stärken. Dieser Stil führt jedoch auch zu höheren Werkzeugdrücken.

F: Gibt es Mindest- und Höchstgeschwindigkeiten für PKD- und CBN-Wendeschneidplatten?A: Im Gegensatz zu den meisten Annahmen verfügt PKD über einen weiten Bereich zulässiger Oberflächen-Fuß pro Minute (SFM)-Einstellungen für Aluminium, von nur 200 SFM bis 6.000 SFM, und es überdauert in der Regel mindestens das Zehnfache von Hartmetalleinsätzen, sodass Werkzeuge dies ermöglichen bleiben über sehr lange Schnittzeiten ohne Anpassungen im Toleranzbereich.

Bei CBN-Wendeschneidplatten werden bei Anwendungen mit gehärtetem Stahl häufig Vorschübe von nur 200 SFM verwendet.

Polykristalline Diamantwerkzeuge werden häufig zur Bearbeitung von Aluminium mit einem Siliziumgehalt von mehr als 5 Prozent eingesetzt, da es dessen Abrasivität standhält.

Die Geschwindigkeit hängt auch von der gesamten Werkzeugbaugruppe ab. Bei Bohrwerkzeugen beispielsweise ist es häufig erforderlich, die Steifigkeit des Werkzeugaufbaus und der Werkstückeinrichtung zu berücksichtigen, wenn man sich für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit diesen Wendeschneidplattentypen entscheidet. Oft ist ein Bohrkopf mit eingebauten Gegengewichten zum Ausbalancieren erforderlich, um die Geschwindigkeiten erreichen zu können, die diese Wendeschneidplatten erreichen können.

F: Was sind die üblichen Tragemodalitäten für diese Einsätze? A: Kraterverschleiß tritt bei der CBN-Bearbeitung von Legierungen auf Eisen- und Titanbasis auf, wenn die Hitze der Späne des Werkstücks die Hartmetallbindemittel auflöst und verteilt und Krater auf der Oberseite des Werkzeugs bildet. Sobald die Krater groß genug werden, um einen Mikrokollaps der Kristallstruktur zu verursachen, kommt es zu Verformungen und schnellem Flankenverschleiß.

Aufbauschneide (BUE) entsteht, wenn Fragmente des Werkstücks durch Heißpressschweißen (eine Kombination aus hohem Druck und Temperatur sowie chemischer Affinität in der Schneidzone) mit der Schneidkante verbunden werden.

Dieser Aufbau wird irgendwann scheitern, und wenn das passiert, kann er auch einen Teil der Schneide mit sich bringen. Dieses Problem kann durch abnormale Veränderungen in der Strukturgröße oder Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks sowie durch glänzende Bereiche auf der Oberfläche der Schneidkante erkannt werden. BUE kann häufig durch Erhöhen der Schnittlast des Werkzeugs (höhere Schnittgeschwindigkeit und/oder höheren Vorschub) oder durch Änderung des Kühlmittelflusses oder der Kühlmittelkonzentration in der Schneidzone kontrolliert werden.

BIG Daishowa, www.bigdaishowa.com

Aufgrund ihrer extremen Härte ermöglichen polykristalline Diamantwerkzeuge eine sehr lange Standzeit in Nichteisenmaterialien.