Harte Fakten über die härtesten Schneidwerkzeuge

Diamant- und CBN-Schneidwerkzeuge sind mächtige Waffen, aber wann und wie sollten sie eingesetzt werden?

Zwei Dinge weiß jeder über Diamanten: Sie sind sehr hart und sehr teuer. Dies gilt sowohl für Schneidwerkzeuge aus polykristallinem Diamant (PKD) als auch aus kubischem Bornitrid (CBN). Sie sind hart genug, um extrem schwer zu bearbeitende Materialien zu schneiden – aber zu einem Preis, der sie in den meisten Fällen als Werkzeug der letzten Wahl darstellt und nur dann verwendet, wenn es keine bessere, günstigere Lösung gibt.

„CBN- und PKD-Technologien stehen eher am Rande der Schneidwerkzeuganwendung“, bemerkte Tom Raun von Iscar USA. „Und deshalb werden sie oft übersehen.

Es gibt jedoch zwei Wahrheiten, die eher im Mainstream der Metallbearbeitung tätige Hersteller berücksichtigen sollten. Erstens scheinen die Anschaffungskosten harter Schneidwerkzeuge zwar ein gewaltiges Hindernis für deren Verwendung zu sein, sie können jedoch tatsächlich einen hohen Return on Investment erzielen und die Kosten pro Teil senken, wenn sie in der richtigen Anwendung eingesetzt werden. Und zweitens werden sowohl PKD- als auch CBN-Werkzeuge immer besser, wodurch sie vielseitiger werden und sich für immer mehr Anwendungen eignen.

Mit Hilfe von vier Experten (darunter Raun) untersuchen wir, wie beide Arten verwendet werden und wie diese Tools immer besser und nützlicher werden.

„Sowohl PKD- als auch CBN-Materialien werden typischerweise für Hochproduktionsanwendungen verwendet, was bedeutet, dass eine große Menge an Teilen hergestellt werden muss“, sagte Steve Howard, Marketing- und Konstruktionsleiter für NTK Cutting Tools USA, Wixom, Michigan. „Da es sich um das härteste Schneidwerkzeug handelt.“ Dank der branchenüblichen Materialien können sie die beste Werkzeugstandzeit für verschiedene Teilematerialien bieten. Im Fall von CBN gibt es andere Schneidstoffe auf dem Markt, die den gleichen Bearbeitungsvorgang mit einer höheren Schnittgeschwindigkeit durchführen können, aber diese können die Standzeit von CBN nicht erreichen. CBN kann mehr Teile und weniger Wendeschneidplatten-Indizierung bei geringerer Flächenlänge bieten, was zu einer verbesserten Zykluszeit an einem Teil führt.“

CBN-Sorten werden hauptsächlich zum Schneiden von gehärtetem Stahl und pulverförmigen Metallen verwendet, während PKD-Sorten am besten für die Bearbeitung von Nichteisenmaterialien geeignet sind, bemerkte Howard.

„Teilehersteller erleben jedoch eine Weiterentwicklung der Materialzusammensetzung und jeden Tag werden neue Materialien erfunden“, sagte er. „Es ist wichtig, sich die Zeit zu nehmen, den Aufbau und die Eigenschaften des zu bearbeitenden Materials zu untersuchen, um festzustellen, welches Schneidwerkzeug und welche Parameter für die Bearbeitung am besten geeignet sind.“

Der Preis von PKD und CBN hält sie für viele Betriebe von der Liste möglicher Lösungen fern, bis sie feststellen, dass ihnen keine andere Wahl bleibt – und dann wagen einige von ihnen den Sprung, ohne sich ausreichend über die zu schneidenden Materialien zu informieren, so Howard.

„Bei PKD- und CBN-Optionen sind die Kosten der Wendeschneidplatte für Kunden das größte Abschreckungsmittel bei der Auswahl des Schneidwerkzeugs für ihre Anwendung“, sagte er. „Eines der am schwierigsten zu beurteilenden Dinge ist die genaue Standzeit dieser beiden Schneidwerkzeugmaterialien. Tests sind der Schlüssel zur Bestimmung der maximalen Anzahl von Teilen, die diese Einsätze schneiden können, bevor sie verschleißen. Aufgrund ihrer hohen Kosten möchten Sie so viel wie möglich aus ihnen herausholen. Viele Anwender wissen nicht, ob sie die maximale Werkzeugstandzeit erreichen, und holen möglicherweise nicht aus jedem Index ihr Geld heraus.“

Craig Bastian hat in seiner Rolle als General Manager von IT.TE.DI North America, einem Schwesterunternehmen von Ingersoll Cutting Tools Co., beobachtet, wie der Leichtbautrend in der Automobilindustrie zu einem verstärkten Einsatz von PKD-Werkzeugen führt. Beide Unternehmen haben ihren Sitz in Rockford, Illinois , und sind Teil der IMC-Gruppe.

„Im Laufe der letzten 10 bis 15 Jahre sind immer mehr Automobilkomponenten von Gusseisen auf Aluminium umgestiegen, sodass der PKD-Einsatz in dieser Branche wie verrückt zunimmt“, sagte Bastian.

„Fast jeder Pkw und jeder leichte Lkw verfügt heutzutage über einen Aluminiumblock und einen Aluminiumkopf. Und in Elektrofahrzeugen bestehen sogar noch mehr Bauteile aus Aluminium. PCD wird in den nächsten 20 bis 25 Jahren weiter wachsen.“

Derselbe Leichtbautrend führe auch zu einer Ausweitung des CBN-Einsatzes, sagte er und führte als Beispiel die Umstellung von Gusseisen auf CGI (verdichtetes Graphiteisen) im Lkw-Bau an.

„Viele der großen Lkw-Hersteller, die bisher Gusseisen für Motorblöcke und Köpfe verwendeten, wechseln zu CGI, weil sie die gesamte Festigkeit von Gusseisen beibehalten, aber das Gewicht durch eine Reduzierung der Wandstärke verringern können“, sagte er. „CGI ist ein sehr schwer zu bearbeitendes Material, daher ist die hohe Verschleißfestigkeit von CBN erforderlich.“

Eine weitere häufige Anwendung von CBN in der Automobilindustrie sind gehärtete Materialien, die für Getriebe oder Getriebekomponenten verwendet werden. Aufgrund der Leichtbauanforderungen müssen diese wiederum mit immer engeren Toleranzen hergestellt werden, so Robert Keilmann, Projektmanager für Dreharbeiten bei Kennametal Inc., Latrobe, Pennsylvania.

Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie habe den Einsatz von CBN-Schneidwerkzeugen ausgeweitet, insbesondere im Triebwerksbau, sagte Keilmann. „Wenn man sich das Strahltriebwerk anschaut, hat man vorne den kalten Bereich, wo der Lufteinlass aufgrund des geringen Gewichts üblicherweise aus Titan besteht.“ Aber der Verbrennungsbereich muss seine sehr präzise gefertigten Schaufeln und Scheiben sowie andere Komponenten aus nickelbasierten, hitzebeständigen Materialien wie Inconel oder Hastelloy haben.“

Früher wurden diese hitzebeständigen Materialien meist mit Werkzeugen mit Hartmetalleinsätzen geschnitten, sagte er. Aber CBN ermöglicht längere Standzeiten und höhere Schnittgeschwindigkeiten. „Wenn Sie beispielsweise das Schneiden von Inconel 718 mit Hartmetall und CBN vergleichen, werden Sie feststellen, dass die Geschwindigkeit, mit der Sie CBN bearbeiten können, zehnmal höher ist“, sagte er.

Ein weiterer Wachstumsbereich in der Luft- und Raumfahrt sei der Einsatz harter Werkzeuge zur Bearbeitung von Kohlenstoffverbundwerkstoffen, bemerkte Raun von Iscar. Er beschrieb das ausgeklügelte System eines Kunden zum präzisen Bohren von Löchern in Verbundwerkstoffe der Flugzeugzelle für Befestigungselemente mithilfe von Hartmetallbohrern. Die Herausforderung bestand in der kürzeren Standzeit von Hartmetall im Vergleich zu PKD und CBN, was durch die Maßnahmen zur Gewährleistung der Bohrgenauigkeit erschwert wurde.

„Sie hatten eine spezielle Buchse, die dazu diente, den Bohrer in der Ausrichtung zu halten“, erklärte er. „Das bedeutete, dass jedes Mal, wenn ein Bohrer ausgetauscht werden musste, eine komplexe Einrichtung erforderlich war. Sie mussten die gesamte Buchse demontieren und der Austausch dauerte jedes Mal 10 bis 15 Minuten an jeder der mehreren Bohrstationen.“

Die von Iscar angebotene Lösung bestand aus zwei Gründen: Erstens wurde durch die Verwendung von PKD anstelle von Hartmetall die Werkzeugstandzeit erheblich erhöht, sodass die Anzahl der Bohrunterbrechungen erheblich reduziert wurde. Und zweitens, sagte Raun, ermöglichte das Iscar SUMOCHAM-System, bei dem Werkzeuge – in diesem Fall Bohrer – mit austauschbaren Köpfen verwendet wurden, dem Kunden, schnell nur die Bohrköpfe auszutauschen, anstatt den zeitaufwändigen Prozess des Austauschs des gesamten Bohrers durchzuführen. Ohne die Buchse zu beschädigen, „können sie dort hineingehen und schnell nur den Kopf wechseln.“ Es dauert buchstäblich Sekunden statt 15 Minuten pro Übung“, sagte er. Die daraus resultierenden Einsparungen waren laut Raun „astronomisch“.

PKD und CBN bieten zunächst einmal den Vorteil einer längeren Werkzeugstandzeit als ihr häufigster Konkurrent, Hartmetall. Bei der richtigen Anwendung ist die Standzeit des Werkzeugs so weit länger, dass die höheren Vorabkosten des ersteren bei der Betrachtung der Gesamtproduktionskosten irrelevant werden.

Für einige Lieferanten stellen diese Vorabkosten dennoch ein Hindernis dar. Alle Hersteller dieser Werkzeuge suchen weiterhin nach Möglichkeiten, ihre Produkte zu verbessern, um sie zu besseren Lösungen in einem immer breiteren Anwendungsbereich zu machen.

Beispielsweise kann die Wechselkopftechnologie von Iscar den Einsatz von PKD in Verbundwerkstoffen und anderen Bereichen ermöglichen. Laut Raun verbessert das Unternehmen auch seine Methode zum Auflöten von PKD oder CBN auf einen Hartmetalleinsatz. „Normalerweise erfolgt das Schmoren an geraden Kanten, wobei die Kante des Hartmetalls an der geraden Kante des winzigen, flachen Wafers aus PCD oder CBN anliegt“, sagte er. „Dieser Beitritt kann ein Schwachpunkt sein.“

Iscar hat die Schmorfläche vergrößert, indem er die Form der beiden Kanten verändert hat (siehe Foto auf Seite 61).

„Es ist fast wie ein Spline oder eine S-Form mit einem passenden Muster auf dem Substrat“, erklärte er. „Dadurch entsteht eine viel stärkere Lötverbindung mit höherer Steifigkeit, und das ermöglicht es uns, aggressiver mit unseren Schnitttiefen und Vorschubgeschwindigkeiten umzugehen.“ Und während Iscar die Form von PKD und CBN dort ändert, wo es mit dem Hartmetall verbunden ist, hat das Unternehmen auch damit begonnen, Spanformer an der Schneidkante anzubringen, um eine bessere Spankontrolle zu ermöglichen, sagte er.

Eine bemerkenswerte Entwicklung bei Ingersoll ist laut Bastian die Formung der PKD-Schneidkante. Traditionell erfolgt dies entweder durch Drahterodieren oder Schleifen, wobei beide Methoden eine Einschränkung aufweisen.

„Polykristalline Diamanten sind, wie der Name schon sagt, Hunderttausende winziger Diamantpartikel, die unter starker Hitze und Druck zusammengepresst werden, um den PCD-Wafer zu bilden, auf dem eine Schneidkante bearbeitet wird“, sagte er. „Aber wenn man die Schneide unter dem Mikroskop betrachtet, sieht man kleine Gipfel und Täler, wie eine Bergkette auf einer Fläche, die eigentlich eine flache Schneide sein sollte.“ Die gezackte Oberfläche ist darauf zurückzuführen, dass beim EDM- und Schleifprozess unweigerlich einige dieser winzigen Diamantpartikel aus dem verdichteten Material gezogen werden.

„Diese Höhen und Tiefen können schneller zu Spitzenausfällen führen“, sagte Bastian. „Daher gehen wir heute eher in Richtung Schnittkantenvorbereitung mittels Laser.“ Der Laser schneide durch die Diamantpartikel, anstatt sie herauszuziehen, erklärte er. „Jetzt haben wir also von Anfang an eine viel glattere Kante, was zu einer viel längeren Werkzeuglebensdauer führt.“

Bastian wies darauf hin, dass das Unternehmen die Lasermethode seit etwa sieben Jahren einsetzt. Während einige Wettbewerber dies ebenfalls tun, stellen die hohen Kosten für die erforderliche Laserausrüstung für einige ihrer kleineren Konkurrenten ein Hindernis dar. "Wir sind glücklich. Wir gehören zur IMC-Gruppe und können uns solche Maschinen leisten.“

Laut Howard verbessert NTK Cutting Tools seine Produkte, indem es mit seinen Kunden zusammenarbeitet, um für jede Anwendung eine optimale Schneidkante zu schaffen.

„Die Vorbereitung der Schneidplattenkante ist eine entscheidende Komponente für den Bearbeitungserfolg“, sagte er. „Ein breiter Anwendungsbereich dieser Wendeschneidplatten kann zu Anpassungen der Kantenbehandlung je nach Teilematerial und Schnittbedingungen führen. Die Analyse der Anwendung und die Ermittlung der geeigneten Kantenvorbereitung können eine wichtige Rolle bei der Maximierung der Standzeit des Einsatzwerkzeugs spielen. Wie wir sagen: Eine Einheitsgröße passt nicht für alle.“

„Ausschlaggebend für den Erfolg des Kunden – und des NTK – ist, dass letzterer Wert darauf legt, eng mit dem Kunden zusammenzuarbeiten, um seine Anforderungen, Prozesse und Teilmaterialien zu verstehen, erklärte Howard.

„Wir arbeiten mit Kunden zusammen, um eine Lösung zu entwickeln, die die Produktivität maximiert, und gewinnen dadurch ein besseres Verständnis für die Funktionsweise von PKD und CBN. Praxisnahe Bedingungen sind für Werkzeughersteller die größte Hilfe dabei, die optimale Kombination der PKD- oder CBN-Sorte mit der Kantenvorbereitung für jedes Material zu erlernen und zu perfektionieren. Das Sammeln von Daten hilft uns, unseren Kunden die besten Lösungen anzubieten.“

Durch die Kantenvorbereitung und die Beschichtungstechnologie sei es Kennametal gelungen, die immer enger werdenden Toleranzen seiner Kunden einzuhalten, so Keilmann.

„Die Präzisionsanforderungen an die Werkzeuge wurden durch die Anforderungen der Anwendungen bestimmt, beispielsweise durch engere Toleranzen bei Automobilgetrieben zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz“, sagte er. Und die Werkzeuge haben einen langen Weg zurückgelegt.

„Vor zwanzig, dreißig Jahren hätten wir eine Schneide nicht so präparieren können, wie wir es heute können. Die Leistungsfähigkeit der Schleifmaschinen, die wir heute zur Bearbeitung unserer Wendeschneidplatten verwenden, ermöglicht eine höhere Genauigkeit und engere Toleranzen als noch vor einem Jahrzehnt.“

Die Verbesserungen bei der Schneidkantenvorbereitung werden durch neue Beschichtungstechnologie und andere Innovationen begünstigt, sagte er am Beispiel eines kürzlich eingeführten doppelseitigen CBN zum Drehen von Hartmetallen.

„Die Sorten KBH-10B und KBH-20B verfügen über eine völlig neue PVD-TiN/TiAlN/TiN-Beschichtung für zusätzliche Verschleißfestigkeit. Doch parallel zur Beschichtung haben wir ein neuartiges Honverfahren implementiert.“

Bei dem doppelseitigen Werkzeug verfügt eine Kante über eine „Trompeten“-Schleifung für schwerere und unterbrochene Schnitte, während die andere Kante über eine leichte Schliffung für kontinuierliches Drehen verfügt. Die Hone ermöglichten „geringere Schnittkräfte bei gleichzeitig verbesserter Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit“, sagte Keilmann. „Es war eine schöne Kombination aus der Entwicklung einer neuen Kantenform und einer neuen Beschichtung und deren Umsetzung in die doppelseitigen Einsätze.“

Auch wenn manche Leute eine statische Vorstellung davon haben, was PKD- und CBN-Werkzeuge leisten können, ist für Keilmann die Werkzeugentwicklung alles andere als statisch, da die Werkzeuge immer besser werden. „Ich sage immer: ‚Wir erfinden das Hartmetall nicht neu, wir erfinden das CBN nicht neu‘. „Das Einzige, was wir erfinden, ist das Design der Werkzeuge und wie sie eingesetzt werden können, um die Prozesse zu verbessern und mit einer größeren Auswahl an Materialien zu arbeiten.“

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