Schlitzen von gehärtetem Stahl mit PCBN-Fräser

Schlitzen aus gehärtetem Stahl mit PCBN-Fräser

Im letzten Jahrzehnt hat das Präzisionsstechen von Teilen aus gehärtetem Stahl mit Einsätzen aus polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN) das traditionelle Schleifen nach und nach ersetzt. Tyler Economan, Bidding Engineering Manager bei Index, USA, sagte: „Im Allgemeinen ist das Schleifen von Nuten ein stabilerer Prozess, der eine höhere Maßhaltigkeit bietet als das Nuten. Dennoch möchten die Menschen das Werkstück immer noch auf einer Drehmaschine fertigstellen können. Es sind vielfältige Bearbeitungen erforderlich.“

Zu den verschiedenen gehärteten Werkstückmaterialien gehören Schnellarbeitsstahl, Gesenkstahl, Lagerstahl und legierter Stahl. Es können nur Eisenmetalle gehärtet werden, und Härtungsprozesse werden normalerweise auf Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt angewendet. Durch die Härtungsbehandlung kann die äußere Härte des Werkstücks höher und verschleißfester gemacht werden, während das Innere eine bessere Zähigkeit aufweist. Zu den Teilen aus gehärtetem Stahl gehören Dorne, Achsen, Anschlüsse, Antriebsräder, Nockenwellen, Zahnräder, Buchsen, Antriebswellen, Lager und dergleichen.

Allerdings ist „harte Materialien“ ein relativer, sich ändernder Begriff. Manche Menschen halten Werkstückmaterialien mit einer Härte von 40-55 HRC für harte Materialien; andere glauben, dass die Härte harter Materialien 58–60 HRC oder mehr betragen sollte. In dieser Kategorie können PCBN-Werkzeuge verwendet werden.

Nach der Induktionshärtung kann die oberflächengehärtete Schicht bis zu 1,5 mm dick sein und die Härte kann 58–60 HRC erreichen, während das Material unter der Oberflächenschicht normalerweise viel weicher ist. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass der Großteil des Schnitts unterhalb der oberflächengehärteten Schicht erfolgt.

Werkzeugmaschinen mit ausreichender Leistung und Steifigkeit sind eine notwendige Voraussetzung für das Nuten von gehärteten Teilen. Laut Economan „je besser die Steifigkeit der Werkzeugmaschine und je höher die Leistung, desto effizienter ist das Einstechen des gehärteten Materials. Bei Werkstückmaterialien mit einer Härte von mehr als 50 HRC erfüllen viele leichte Werkzeugmaschinen nicht die erforderlichen Schnittbedingungen. Wenn die Maschinenkapazität (Leistung, Drehmoment und insbesondere Steifigkeit) überschritten wird, kann die Bearbeitung nicht erfolgreich abgeschlossen werden.“

Für die Werkstückhaltevorrichtung ist die Steifigkeit sehr wichtig, da die Kontaktfläche der Schneide mit dem Werkstück beim Nuten groß ist und das Werkzeug einen großen Druck auf das Werkstück ausübt. Beim Spannen von Werkstücken aus gehärtetem Stahl kann eine breite Klemme verwendet werden, um die Spannfläche zu verteilen. Paul Ratzki, Marketingleiter von Sumitomo Electric Hard Alloy Co., sagte: „Die zu bearbeitenden Teile müssen fest abgestützt sein. Bei der Bearbeitung von gehärteten Materialien sind die erzeugten Vibrationen und der Werkzeugdruck viel größer als bei der Bearbeitung gewöhnlicher Werkstücke, was zu einer Klemmung des Werkstücks führen kann. Es kann nicht aus der Maschine herausfliegen oder dazu führen, dass die CBN-Säge absplittert oder sogar bricht.“

Der Schaft, der den Stecheinsatz hält, sollte so kurz wie möglich sein, um den Überhang zu minimieren und die Steifigkeit des Werkzeugs zu erhöhen. Matthew Schmitz, Manager für GRIP-Produkte bei Isca, weist darauf hin, dass monolithische Werkzeuge im Allgemeinen besser zum Nuten von gehärteten Materialien geeignet sind. Das Unternehmen bietet jedoch auch ein modulares Nutsystem an. „Der modulare Schaft kann in Bearbeitungssituationen eingesetzt werden, in denen das Werkzeug anfällig für plötzliche Ausfälle ist“, sagt er. „Sie müssen nicht den gesamten Schaft austauschen, sondern nur eine kostengünstigere Komponente. Der modulare Schaft bietet außerdem vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten. Das Grip-Modulsystem von Iskar kann in eine Vielzahl verschiedener Produkte eingebaut werden. Sie können einen Werkzeughalter mit 7 verschiedenen Klingen für 7 Produktlinien oder eine beliebige Anzahl von Klingen für unterschiedliche Bearbeitungen derselben Produktlinie mit Schlitzbreite verwenden.“

Sumitomo EDie Werkzeughalter von lectric zum Greifen von CGA-Wendeschneidplatten verwenden eine Klemmmethode von oben, die die Klinge zurück in den Halter zieht. Dieser Halter verfügt außerdem über eine seitliche Befestigungsschraube, um die Griffstabilität zu verbessern und die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern. Rich Maton, stellvertretender Leiter der Konstruktionsabteilung des Unternehmens, sagte: „Dieser Werkzeughalter ist zum Nuten von gehärteten Werkstücken konzipiert. Wenn sich die Klinge im Halter bewegt, verschleißt die Klinge mit der Zeit und die Werkzeuglebensdauer ändert sich. Für die hochproduktiven Bearbeitungsanforderungen der Automobilindustrie (z. B. 50–100 oder 150 Werkstücke pro Schneidkante) ist die Vorhersagbarkeit der Werkzeuglebensdauer besonders wichtig, und Änderungen der Werkzeuglebensdauer können erhebliche Auswirkungen auf die Produktion haben.“

Berichten zufolge ist das modulare Nutsystem Tri-Lock der GY-Serie von Mitsubishi Materials hinsichtlich der Steifigkeit mit integrierten Klingenspannfuttern vergleichbar. Das System greift die Nutmesser zuverlässig aus drei Richtungen (peripher, vorne und oben). Sein zweistrukturelles Design verhindert, dass sich die Klinge beim Nuten verschiebt: Der V-förmige Vorsprung verhindert, dass sich die Klinge zur Seite bewegt; Der Sicherheitsschlüssel verhindert die Vorwärtsbewegung der Klinge, die durch die Schnittkraft bei der Schlitzbearbeitung verursacht wird.

Zu den häufig verwendeten Nuteinsätzen für gehärtete Stahlteile gehören einfache quadratische Einsätze, formgebende Einsätze, geschlitzte Einsätze und dergleichen. Im Allgemeinen müssen die geschnittenen Nuten eine gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, da sie über einen passenden Teil verfügen und es sich bei einigen um O-Ringe oder Sprengringnuten handelt. Laut Mark Menconi, Produktspezialist bei Mitsubishi Materials, „können diese Prozesse in die Bearbeitung von Nuten am Innendurchmesser und die Bearbeitung von Nuten am Außendurchmesser unterteilt werden, aber die meisten Nutoperationen erfordern Feinschnitt, einschließlich leichter Berührungspräzision ab einer Schnitttiefe von etwa 0,25 mm. Schneiden bis zum Vollschnitt mit einer Tiefe von etwa 0,5 mm.“

Das Nuten von gehärtetem Stahl erfordert den Einsatz von Werkzeugen mit höherer Härte, besserer Verschleißfestigkeit und geeigneter Geometrie. Entscheidend ist, herauszufinden, ob ein Hartmetalleinsatz, ein Keramikeinsatz oder ein PCBN-Einsatz verwendet werden sollte. Schmitz sagte: „Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Härten unter 50 HRC wähle ich fast immer Hartmetalleinsätze. Für Werkstücke mit einer Härte von 50–58 HRC sind Keramikeinsätze eine sehr wirtschaftliche Wahl. Nur wenn das Werkstück Härten bis zu 58 HRC aufweist, sollten CBN-Einsätze in Betracht gezogen werden. Die CBN-Einsätze eignen sich besonders für die Bearbeitung solch hochharter Materialien, da der Bearbeitungsmechanismus kein Schneidstoff, sondern eine Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück ist. Schmelzen Sie das Material.

Beim Einstechen von gehärteten Stahlteilen mit einer Härte von über 58 HRC ist die Spankontrolle kein Problem. Da üblicherweise Trockenstechen verwendet wird, ähneln die Späne eher Staub oder sehr kleinen Partikeln und können durch Handblasen entfernt werden. Maton von Sumitomo Electric sagte: „Normalerweise brechen und zerfallen diese Art von Spänen, wenn sie auf irgendetwas treffen, sodass der Kontakt der Späne mit dem Werkstück das Werkstück nicht beschädigt.“ Wenn Sie nach Spänen greifen, zersplittern diese in Ihrer Hand. ”

CBN-Wendeschneidplatten eignen sich unter anderem deshalb für die Trockenbearbeitung, weil sie zwar eine sehr gute Hitzebeständigkeit aufweisen, bei Temperaturschwankungen die Bearbeitungsleistung jedoch stark abnimmt. Economan sagt: „Wenn die CBN-Wendeschneidplatte mit dem Werkstückmaterial in Kontakt kommt, erzeugt sie tatsächlich Schneidwärme an der Spitze. Da die CBN-Wendeschneidplatte jedoch weniger anpassungsfähig an Temperaturänderungen ist, ist es schwierig, sie ausreichend zu kühlen, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.“ Zustand. CBN ist sehr hart, aber auch sehr spröde und kann aufgrund von Temperaturschwankungen brechen.“

Beim Schneiden von Stahlteilen mit geringer Härte (z. B. 45–50 HRC) mit Hartmetall-, Keramik- oder PCBN-Wendeschneidplatten sollten die erzeugten Späne so kurz wie möglich sein. Dadurch wird die Schneidwärme im Werkzeugmaterial während des Schneidvorgangs effektiv abgeführt, da die Späne eine große Wärmemenge abtransportieren können.

Istkar's Schmitz empfiehlt außerdem, das Werkzeug im „umgedrehten“ Zustand zu bearbeiten. Er erklärte: „Beim Einbau eines Werkzeugs in eine Werkzeugmaschine wird das bevorzugte Werkzeug des Werkzeugmaschinenherstellers so installiert, dass die Klinge mit der Schnittfläche nach oben geschnitten wird, da dadurch durch die Drehung des Werkstücks ein nach unten gerichteter Druck auf die Maschinenschiene ausgeübt werden kann, um die Maschine stabil zu halten. Wenn die Klinge jedoch in das Werkstückmaterial geschnitten wird, können die gebildeten Späne auf der Klinge und dem Werkstück verbleiben. Wenn der Werkzeughalter umgedreht und das Werkzeug verkehrt herum montiert wird, ist die Klinge nicht sichtbar und der Spanfluss wird unter der Wirkung der Schwerkraft automatisch aus dem Schneidbereich entweichen.“

Oberflächenhärten ist eine einfache Methode zur Verbesserung der Härte von kohlenstoffarmem Stahl. Das Prinzip besteht darin, den Kohlenstoffgehalt in einer bestimmten Tiefe unter der Materialoberfläche zu erhöhen. Wenn die Nuttiefe die Dicke der oberflächengehärteten Schicht überschreitet, können aufgrund des Wechsels der Nutklinge von einem härteren Material zu einem weicheren Material Probleme auftreten. Zu diesem Zweck haben Werkzeughersteller mehrere Klingenqualitäten für unterschiedliche Werkstückmaterialien entwickelt.

Duane Drape, Vertriebsleiter bei Horn (USA), sagte: „Beim Wechsel von einem härteren Material zu einem weicheren Material möchte der Benutzer nicht immer die Klinge wechseln, daher müssen wir das beste Werkzeug für diese Art der Bearbeitung finden. Wenn eine Hartmetallschneidplatte verwendet wird, tritt das Problem übermäßiger Abnutzung auf, wenn die Klinge eine harte Oberfläche schneidet. Wenn eine zum Schneiden hochharter Materialien geeignete CBN-Schneidplatte zum Schneiden eines weichen Teils verwendet wird, kann es leicht zu einer Beschädigung der Klinge kommen. Wir können einen Kompromiss verwenden: Hartmetalleinsätze mit hoher Härte + superschmierende Beschichtungen oder relativ weiche CBN-Einsatzsorten + Schneideinsätze, die zum Schneiden gängiger Materialien geeignet sind (statt zur Hartbearbeitung).

Drape sagte: „Sie können CBN-Wendeschneidplatten verwenden, um Werkstückmaterialien mit einer Härte von 45–50 HRC effektiv zu schneiden, aber die Schneidengeometrie muss angepasst werden. Typische CBN-Wendeschneidplatten haben eine negative Fase an der Schneidkante. Diese CBN-Wendeschneidplatte mit negativer Fase ist weicher zu bearbeiten. Wenn das Werkstückmaterial verwendet wird, hat das Material einen Herauszieheffekt und die Werkzeugstandzeit wird verkürzt. Wenn die CBN-Sorte mit geringerer Härte verwendet wird und die Geometrie der Schneidkante geändert wird, wird das Werkstück beschädigt Material mit einer Härte von 45-50 HRC kann erfolgreich geschnitten werden.“

Der vom Unternehmen entwickelte S117 HORN-Stecheinsatz verwendet eine PCBN-Spitze und die Schnitttiefe beträgt etwa 0,15 bis 0,2 mm, wenn die Zahnradbreite präzise geschnitten wird. Um eine gute Oberflächengüte zu erzielen, verfügt das Messer an beiden Schneidkanten über jeweils eine Schabfläche.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schnittparameter zu ändern. Laut Economan von Index „können nach dem Durchschneiden der gehärteten Schicht größere Schneidparameter verwendet werden. Wenn die gehärtete Tiefe nur 0,13 mm oder 0,25 mm beträgt, werden nach dem Durchschneiden dieser Tiefe entweder die verschiedenen Klingen ausgetauscht oder es wird immer noch dieselbe Klinge verwendet, aber die Schneidparameter werden auf das entsprechende Niveau erhöht.“

Um ein breiteres Verarbeitungsspektrum abzudecken, werden immer mehr PCBN-Sägeblattsorten eingesetzt. Höhere Härtegrade ermöglichen schnellere Schnittgeschwindigkeiten, während Sorten mit höherer Zähigkeit in instabileren Verarbeitungsumgebungen verwendet werden können. Für kontinuierliches oder unterbrochenes Schneiden können auch unterschiedliche PCBN-Wendeplattenqualitäten verwendet werden. Maton von Sumitomo Electric wies darauf hin, dass scharfe Schneidkanten aufgrund der Sprödigkeit von PCBN-Werkzeugen bei der Bearbeitung von gehärtetem Stahl zum Abplatzen neigen. „Wir müssen die Schnittkante schützen, insbesondere beim unterbrochenen Schnitt, die Schnittkante sollte besser vorbereitet sein als beim kontinuierlichen Schnitt, und der Schnittwinkel sollte größer sein.“

Iskar&Die neu entwickelten Sorten IB10H und IB20H erweitern die Groove Turn PCBN-Produktlinie des Unternehmens weiter. IB10H ist eine feinkörnige PCBN-Sorte für das kontinuierliche Schneiden von gehärtetem Stahl mit mittlerer bis hoher Geschwindigkeit. während IB20H aus PCBN-Körnern mit feiner und mittlerer Korngröße besteht und eine gute Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit bietet. Die Waage hält den härteren Bedingungen des unterbrochenen Schneidens von gehärtetem Stahl stand. Der normale Fehlermodus eines PCBN-Werkzeugs sollte darin bestehen, dass die Schneidkante verschleißt und nicht plötzlich reißt oder bricht.

Die von Sumitomo Electric eingeführte beschichtete PCBN-Sorte BNC30G wird zum unterbrochenen Nuten von Werkstücken aus gehärtetem Stahl verwendet. Für das kontinuierliche Nuten empfiehlt das Unternehmen die Universalklingensorte BN250. Maton sagte: „Beim kontinuierlichen Schneiden wird die Klinge über einen langen Zeitraum geschnitten, wodurch viel Schneidwärme entsteht. Daher ist es notwendig, eine Klinge mit guter Verschleißfestigkeit zu verwenden. Beim intermittierenden Nutenschneiden tritt die Klinge kontinuierlich in den Schnitt ein und aus. Dies hat einen großen Einfluss auf die Spitze. Daher ist es notwendig, eine Klinge mit guter Zähigkeit zu verwenden, die intermittierenden Stößen standhält. Darüber hinaus trägt die Klingenbeschichtung auch dazu bei, die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern.“

Unabhängig von der Art der zu bearbeitenden Nut können Werkstätten, die bisher auf Schleifen zur Endbearbeitung gehärteter Stahlteile angewiesen waren, auf das Nuten mit PCBN-Werkzeugen umsteigen, um die Produktivität zu steigern. Beim Hartnuten kann eine mit dem Schleifen vergleichbare Maßhaltigkeit erreicht und gleichzeitig die Bearbeitungszeit erheblich verkürzt werden.