Werkzeugstahl: Sorten, Anwendungen und Herstellungsverfahren
Werkzeugstähle sind eine Gruppe von legierten Stählen, die sich besonders für Anwendungen eignen, bei denen hohe Härte, Verschleißfestigkeit und Formstabilität…
CNC-Bearbeitung ist eine weit verbreitete subtraktive Fertigungstechnologie. Computergestützte numerische Steuerungssysteme ermöglichen wenigerellen Arbeitsaufwand und ein höheres Maß an Automatisierung.
Eine dieser automatisierten Fertigungsmethoden ist das C-Fräsen. Dabei wird Material mit rotierenden Fräswerkzeugen abgetragen, was das Gegenteil zum CNC-Drehen darstellt.
Die Fräszentren übernehmen nicht nur das automatische Schneiden, sondern auch den Werkzeugwechsel. Während eines durchschnittlichen Fertigungsprozesses, etwa bei der Herstellung eines Endprodukts aus einem Metallblock, werden verschiedene Werkzeuge eingesetzt.
Sehen wir uns also an, welche Fräswerkzeuge auf den Maschinen verwendet werden und welche Aufgaben sie erfüllen.
Die gängigsten Arten von Fräswerkzeugen sind:
Beginnen wir mit einer der grundlegenden Fragen.
Dies sind zwei der häufigsten Fräsverfahren, bei denen jeweils unterschiedliche Fräsertypen verwendet werden – der Schaftfräser und der Planfräser. Der Unterschied zwischen Schaftfräsen und Planfräsen liegt darin, dass beim Schaftfräsen sowohl Stirn- als auch Umfangsschneiden genutzt werden, während Planfräsen für horizontale Schnitte eingesetzt wird.
Diese Werkzeuge haben meist eine flache Stirn, es gibt jedoch auch runde oder abgerundete Varianten. Schaftfräser sind Bohrern insofern ähnlich, als dass sie axial schneiden können. Ihr Vorteil beim Fräsen liegt jedoch in der Möglichkeit, auch seitlich zu schneiden.
Planfräser können nicht axial schneiden. Die Schneiden befinden sich ausschließlich an der Seite des Schneidkopfes. Die Schneidzähne sind auswechselbare Hartmetalleinsätze.
Dies verlängert die Standzeit des Werkzeugs und sorgt gleichzeitig für eine gute Schnittqualität.
Kugelfräser, auch Kugelkopffräser genannt, besitzen halbkugelförmige Schneidkanten. Sie werden eingesetzt, um einen Eckradius an senkrechten Flächen beizubehalten.
Walzenfräser sind in modernen CNC-Bearbeitungszentren weniger gebräuchlich. Sie werden noch in manuellen Fräsmaschinen verwendet, um große Flächen schnell zu bearbeiten. Aus diesem Grund wird das Walzenfräsen oft auch als Flächenfräsen bezeichnet.
Der Walzenfräser rotiert dabei waagerecht zwischen Spindel und Auflage.
Ein Vorgänger des Schaftfräsers. Scheibenfräser besitzen Schneiden sowohl am Umfang als auch an einer Seite. Die Funktionalität ist daher ähnlich wie beim Schaftfräser, ihre Verbreitung ist jedoch durch technologische Weiterentwicklungen zurückgegangen.
Für das Fräsen von Evolventenrädern gibt es spezielle Fräswerkzeuge. Es stehen unterschiedliche Fräser zur Verfügung, um Räder mit einer definierten Zahnzahl zu fertigen.
Diese Werkzeuge erfüllen denselben Zweck wie Planfräser. Sie bestehen aus einem zentralen Körper, der ein oder zwei Schneideinsätze aufnimmt (Doppel-Einzahnfräser).
Planfräser bieten eine höhere Schnittqualität. Einzahnfräser sind günstiger und die Schneideinsätze werden oft direkt in der Werkstatt gefertigt, anstatt sie zuzukaufen.
Hohlfräser funktionieren im Prinzip entgegengesetzt zu Planfräsern. Hier wird das Werkstück in das Innere des Fräsers geführt, um ein zylindrisches Ergebnis zu erzielen.
Wie der Name schon sagt, handelt es sich im Grunde um Schaftfräser mit einer Besonderheit: Der Schruppfräser besitzt gezahnte Schneiden. Dadurch kann schneller Material abgetragen werden als mit einem Standard-Schaftfräser.
Die abgetrennten Metallspäne sind kleiner und lassen sich leichter entfernen. Gleichzeitig greifen mehrere Zähne gleichzeitig ins Werkstück, was Vibrationen und Rattern reduziert, die durch die gezahnten Schneiden sonst verstärkt würden.
Woodruff- oder Nutfräser werden verwendet, um Passfedernuten in Bauteile wie Wellen einzubringen. Die Schneiden sind senkrecht zum Außendurchmesser angeordnet, um passende Nuten für Woodruff-Federn zu erzeugen.
Der Name dieses Werkzeugs verrät bereits seine Funktion: Gewindefräser werden zur Herstellung von Gewindebohrungen eingesetzt.
Gewindeschneiden wird üblicherweise auf Bohrmaschinen durchgeführt. Der Einsatz eines Gewindefräsers bietet jedoch höhere Prozesssicherheit und ist weniger von den Umgebungsbedingungen abhängig.
Wie Sie gesehen haben, gibt es zahlreiche unterschiedliche Maschineneinsätze für verschiedenste Anwendungen. Das gilt auch für die Materialien, aus denen diese Werkzeuge gefertigt werden.
Werfen wir einen genaueren Blick auf die gängigsten Materialien für Fräser.
Das günstigste Material. Deshalb wird es nach wie vor eingesetzt. Da Kohlenstoffstahl jedoch wenig haltbar ist, eignet er sich nur für Anwendungen mit niedrigen Drehzahlen.
Kohlenstoffstahl verliert seine Härte bereits bei 200°C. Aus diesem Grund sind nur geringe Schnittgeschwindigkeiten möglich, um die Erwärmung zu begrenzen.
Schnellarbeitsstahl, eine Sorte von Werkzeugstahl, enthält zusätzlich Legierungselemente, um eine bessere Wärme- und Verschleißbeständigkeit als reiner Kohlenstoffstahl zu erzielen. Die Standzeit solcher Werkzeuge ist demnach höher, allerdings auch der Preis.
Er verliert seine Härte erst bei 600°C. Daher sind höhere Schnittgeschwindigkeiten möglich.
Hartmetall ist härter als Schnellarbeitsstahl, jedoch weniger zäh. Die hohe Härte schützt besser vor Verschleiß, die geringere Zähigkeit erhöht jedoch die Gefahr von Brüchen und Ausbrüchen.
Die maximale Einsatztemperatur liegt bei 900°C.
Schneidkeramik übertrifft Hartmetall in Sachen Härte, ist jedoch deutlich spröder. Sowohl Aluminiumoxid als auch Siliziumnitrid kommen je nach gewünschter Eigenschaft zum Einsatz.
Keramikwerkzeuge sind empfindlich gegenüber Bruch, insbesondere bei harten Werkstoffen und hohen Temperaturen. Daher sind sie für das Bearbeiten von Stahl weniger geeignet und haben andernfalls eine kurze Lebensdauer.
Wie in der Fertigung üblich, basiert die Wahl des Verfahrens oder Werkzeugs auf einem Abwägen von Geschwindigkeit, Kosten und Qualität. Die Kosten hängen sowohl vom Werkzeugpreis, vom Verschleiß beim Bearbeiten als auch vom Zeitaufwand (Geschwindigkeit) ab.
Normale Kohlenstoffstähle scheiden aufgrund ihrer begrenzten Eigenschaften meist aus. Schnellarbeitsstahl (HSS) ist die preiswerteste Option für Standardarbeiten. Allerdings führt der hohe Verschleiß dazu, dass sich auf lange Sicht bessere Alternativen lohnen.
Schnellarbeitsstahl mit Kobalt-Zusatz erlaubt beispielsweise noch schnellere Bearbeitung und ist für die meisten Anwendungen ausreichend.
Hartmetallwerkzeuge bieten dank ihrer Eigenschaften den nächsten Schritt zu Hochleistungsfräsen. Sie lohnen sich, trotz höherer Anschaffungskosten, langfristig aufgrund ihrer Wirtschaftlichkeit.
Die Regel ist einfach: Ein Werkzeug mit großem Durchmesser ermöglicht eine schnellere Bearbeitung. Die Geometrie des Endprodukts setzt jedoch Grenzen.
So dürfen bei engen Innenradien keine zu großen Werkzeuge verwendet werden. Es empfiehlt sich, für den Grobabtrag ein großes Werkzeug zu nutzen und für Ecken einen kleineren Fräser einzusetzen.
Es gibt verschiedene Beschichtungen, die den Verschleiß reduzieren. Beispielsweise verlängert eine Titannitrid-Beschichtung die Lebensdauer, erhöht aber auch die Kosten.
Solche Beschichtungen verringern die Anhaftung von Schnittmaterial, was besonders bei Aluminium von Vorteil ist. Dadurch wird weniger Schmiermittel während des Fräsprozesses benötigt.
Die Nuten (Flutes) am Fräser bestimmen die Vorschubgeschwindigkeit: Mehr Schneiden ermöglichen ein höheres Vorschubtempo, da pro Umlauf weniger Material abgetragen wird.
Gleichzeitig vergrößert sich der Gesamtdurchmesser des Fräsers, wodurch weniger Platz für Späne bleibt.
Der Drallwinkel und die Drehzahl der Spindel bestimmen die Schnittgeschwindigkeit bzw. den Vorschub. Ein steilerer Winkel ist für weichere Materialien und Metalle geeignet.
Die Wahl des richtigen Fräsers erfordert ein Verständnis für Werkstoffe, Parameter und einiges an Erfahrung. Das Endergebnis hängt maßgeblich von diesen Entscheidungen ab – ein Maschinenbediener muss wissen, welches Werkzeugmaterial für das jeweilige Werkstück geeignet ist.
Eine gute Auswahl ermöglicht hohe Vorschübe, kürzere Bearbeitungszeiten und niedrigere Kosten.
Achten Sie bei der Auswahl des CNC-Bearbeitungsdienstleisters darauf, dass dieser über alle notwendigen Werkzeuge zur Herstellung Ihrer Bauteile verfügt.
