So wählen Sie das richtige Schneidwerkzeugmaterial aus (CNC- und Drehmaschinenhandbuch)

In der Welt der CNC-Bearbeitung und DrehenDas Schneidwerkzeug ist das Schwert des Ritters. Die Wahl des richtigen Schneidwerkzeugmaterials ist eine der wichtigsten Entscheidungen zur Optimierung der Produktionseffizienz, zur Kostensenkung und zur Verbesserung der Teilequalität. Bei Verwendung des falschen Werkzeugs treten häufig Probleme wie Werkzeugabsplitterungen, schlechte Oberflächengüte und geringe Produktivität auf.

Dieser Leitfaden führt Sie durch die wichtigsten Schneidwerkzeugmaterialien und bietet einen klaren Rahmen, der Ihnen dabei hilft, je nach Verarbeitungsaufgabe die beste Wahl zu treffen.

Warum ist das Material von Schneidwerkzeugen so wichtig?

Beim Schneidvorgang entstehen extrem hohe Temperaturen und Drücke. Das Werkzeugmaterial muss folgenden Belastungen standhalten:

· Verschleißfestigkeit: Verhindert Abnutzung durch Späne und erhält die Schärfe.

· Härte: Sie muss härter sein als das zu verarbeitende Material, insbesondere bei hohen Temperaturen (sogenannte „Rothärte“).

· Zähigkeit (Hartnäckigkeit): Es hält Stößen und intermittierenden Schnittkräften stand und verhindert so Absplitterungen und Brüche.

· Warmhärte: Die Fähigkeit, die Härte bei hohen Temperaturen, die beim Schneiden entstehen, aufrechtzuerhalten.

Kein Material ist in jeder Hinsicht perfekt. Bei der Materialauswahl geht es darum, die optimale Balance zwischen diesen Eigenschaften zu finden, um spezifische Verarbeitungsanforderungen zu erfüllen.

Detaillierte Erläuterung der wichtigsten Schneidstoffmaterialien

Nachfolgend sind die heute am häufigsten verwendeten Arten von Schneidwerkzeugmaterialien aufgeführt, sortiert vom allgemeinsten bis zum spezialisiertesten.

Schnellarbeitsstahl (HSS)

Was ist das: Es handelt sich um einen hochwertigen legierten Werkzeugstahl, der durch Zugabe von Elementen wie Wolfram, Molybdän, Chrom und Vanadium hergestellt wird.

· Vorteile: Hervorragende Zähigkeit, niedrige Kosten, Herstellung sehr komplexer Werkzeugformen (wie Bohrer, Gewindebohrer, Räumnadeln) möglich und leicht nachzuschleifen.

· Nachteile: Geringe Verschleißfestigkeit und thermische Härte (Erweichung bei ca. 600 °C), und die Schnittgeschwindigkeit ist viel geringer als die von Hartmetall.

· Beste Anwendungen: Bearbeitung mit niedriger Geschwindigkeit, unterbrochenes Schneiden, Werkzeuge mit komplexen Geometrien, Nichteisenmetallverarbeitung, Reparaturwerkstätten und Kleinserienproduktion.

2. Hartmetall

Was ist es: Es wird durch ein pulvermetallurgisches Verfahren mit Wolframkarbid (WC)-Partikeln und Kobalt (Co)-Bindemittel gesintert. Wolframkarbid sorgt für Härte, Kobalt für Zähigkeit. Dies ist die absolute Hauptkraft in der modernen CNC-Bearbeitung.

· Vorteile: Es verfügt über eine ausgezeichnete Verschleißfestigkeit und thermische Härte (bis zu 1000 °C) und die zulässige Schnittgeschwindigkeit ist mehr als 2-3 Mal so hoch wie bei HSS. Es ist äußerst vielseitig.

· Nachteile: Spröder als HSS und teurer.

· Beste Anwendung: Vorschlichten bis Schlichten der meisten Materialien, von Stahl und Edelstahl bis hin zu Gusseisen und Superlegierungen. (Hinweis: Hartmetall selbst ist eine breite Kategorie und seine Leistung kann durch Anpassungen der Beschichtung und Zusammensetzung erheblich verändert werden.)

3. Beschichtetes Hartmetall

Was ist das: Ein sehr dünner (wenige Mikrometer) Film aus superhartem Material wird durch CVD- (Chemical Vapor Deposition) oder PVD- (Physical Vapor Deposition) Verfahren auf einem Hartlegierungssubstrat abgeschieden.

· Gängige Beschichtungen:

· Titannitrid (TiN): Universelle goldene Beschichtung, die die Verschleißfestigkeit erhöht.

· Titannitrid (TiCN): Verschleißfester als TiN, blau oder grau.

· Titanaluminiumnitrid (TiAlN)/Chromaluminiumnitrid (AlCrN): Hochwertige Beschichtung. Bei hohen Schnitttemperaturen bildet sich eine Aluminiumoxidschicht, die eine extrem hohe thermische Härte und Oxidationsbeständigkeit aufweist und sich daher hervorragend für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung und das Trockenschneiden eignet.

· Vorteile: Die Beschichtung verbessert die Oberflächenhärte, die Wärmedämmleistung und die Schmierfähigkeit erheblich und erhöht die Werkzeuglebensdauer um ein Vielfaches.

· Beste Anwendung: Es deckt fast alle Verarbeitungsszenarien ab und die Wahl hängt vom zu verarbeitenden Material ab. TiAlN ist eine ausgezeichnete Wahl für die Verarbeitung von Stahl und Gusseisen.

4. Keramik

Was ist das: Es wird hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt: auf Aluminiumoxidbasis (Al2O3) (für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Gusseisen) und auf Siliziumnitridbasis (Si3N4) (für die Hochgeschwindigkeits-Schruppbearbeitung von Gusseisen).

· Vorteile: Es hat eine höhere thermische Härte und Verschleißfestigkeit als Hartmetall, eine gute chemische Stabilität und eine extrem hohe Schnittgeschwindigkeit.

· Nachteile: Extrem spröde, schlechte Stoß- und Schnittverträglichkeit, nicht geeignet für zähflüssige Materialien wie Aluminium.

· Beste Anwendung: Hochgeschwindigkeits-Schlichtbearbeitung und Trockenschneiden von Gusseisen und Superlegierungen.

5. Kubisches Bornitrid (CBN)

Was ist das: Ein künstliches Material mit einer Härte, die nur von Diamant übertroffen wird. Es wird normalerweise in Form kleiner CBN-Spitzen verkauft, die auf Hartlegierungseinsätze geschweißt sind.

· Vorteile: Extrem hohe Härte und thermische Stabilität, daher sehr gut geeignet zum Kaltverfestigen von Stahl und Hartguss.

· Nachteile: Die Kosten sind extrem hoch und die Robustheit durchschnittlich.

· Beste Anwendung: Endbearbeitung von gehärtetem Stahl mit einer Härte von über 45HRC (z. B. Matrizenstahl, Zahnräder). Es ist die erste Wahl für das "Drehen statt Schleifprozess.

6. Polykristalliner Diamant (PCD)

Was ist das: Es wird durch Sintern künstlicher Diamantpartikel bei hoher Temperatur und hohem Druck hergestellt und normalerweise auch auf ein Hartlegierungssubstrat geschweißt.

· Vorteile: Der härteste und verschleißfesteste Schneidstoff, der heute erhältlich ist.

· Nachteile: Es ist extrem teuer, sehr spröde und kann chemische Reaktionen mit eisenhaltigen Werkstoffen (Stahl, Gusseisen) eingehen (Kohlenstoff diffundiert bei 800°C), daher ist es für die Bearbeitung von Eisenmetallen nicht geeignet.

· Beste Anwendung: Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsverarbeitung von Nichteisenmetallen und abrasiven (schleifenden) Materialien, wie Silizium-Aluminium-Legierungen, Verbundwerkstoffen, Kohlenstofffasern, Kunststoffen, Kupfer und hochsiliziumhaltigen Aluminiumlegierungen.

So treffen Sie die richtige Wahl: Entscheidungsflussdiagramm und Schlüsselfaktoren

Beachten Sie bei der Auswahl der Werkzeugmaterialien für Ihre Anwendung bitte die folgende Reihenfolge:

1. Zu bearbeitendes Werkstückmaterial (Werkstoff) – das ist der primäre Faktor!

Aluminium, Kupfer, Verbundwerkstoffe usw.: PCD ist die beste Wahl für hohe Geschwindigkeit, hohe Qualität und lange Lebensdauer. Unbeschichtetes Hartmetall ist eine wirtschaftliche Wahl.

· Kohlenstoffstahl, legierter Stahl, Edelstahl: Beschichtetes Hartmetall (TiAlN/AlCrN) ist eine universelle Wahl. Für langsame oder komplexe Schneidwerkzeuge hat HSS nach wie vor seinen Platz. Für vergüteten und gehärteten Stahl (>45HRC) wird CBN gewählt.

· Gusseisen: Beschichtete Hartlegierungen sind sehr effektiv. Für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist Keramik die ideale Wahl.

· Hochtemperaturlegierungen (wie Inconel-Legierungen, Titanlegierungen): Es sind spezielle Hartlegierungen mit besonders zähen Beschichtungen (wie AlCrN) erforderlich. Keramik und CBN können ebenfalls anwendbar sein.

· Nichtmetallisch (Kunststoff, Holz usw.): Unbeschichtete Hartmetalllegierungen oder HSS sind normalerweise ausreichend. Bei verstärkten Kunststoffen mit starker Abrasivität hat PCD die längste Lebensdauer.

2. Art des Verarbeitungsvorgangs

· Grobbearbeitung vs. Feinbearbeitung: Bei der Grobbearbeitung ist Zähigkeit erforderlich (wählen Sie eine Hartlegierungssorte mit besserer Zähigkeit), während bei der Feinbearbeitung Verschleißfestigkeit und Härte im Vordergrund stehen (wählen Sie eine härtere Sorte oder CBN/PCD).

· Kontinuierliches Schneiden vs. intermittierendes Schneiden: Fräsen erfolgt in der Regel intermittierend und erfordert eine hohe Zähigkeit (Hartlegierung oder HSS). Das Drehen des äußeren Kreises erfolgt in der Regel kontinuierlich und kann härtere und sprödere Materialien (wie Keramik) verwenden.

3. Werkzeugmaschinen und Einrichtung

Alte Werkzeugmaschinen oder Einstellungen mit unzureichender Steifigkeit neigen zu Vibrationen und erfordern Werkzeuge mit besserer Zähigkeit (wie zähes Hartmetall oder HSS).

Moderne Hochgeschwindigkeits- und Hochsteifigkeits CNC-Werkzeugmaschinen kann die Leistung von Keramik und beschichtetem Hartmetall voll ausschöpfen.

4. Kostenüberlegungen

· Anschaffungskosten vs. Stückkosten: Obwohl CBN- und PKD-Klingen sehr teuer sind, können sie in der Massenproduktion aufgrund ihrer extrem langen Lebensdauer und extrem hohen Verarbeitungseffizienz die Verarbeitungskosten jedes Teils erheblich senken.

· Kleinserien, Prototypenbau: Beschichtetes Hartmetall bietet die beste Vielseitigkeit und das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. HSS bleibt bei extrem komplexen Formen oder sehr kleinen Arbeitsmengen kostengünstig.