Schlitzen von gehärtetem Stahl mit PCBN-Fräser

Schlitzen von gehärtetem Stahl mit PCBN-Fräser

In den letzten zehn Jahren hat das Präzisionsnuten von gehärteten Stahlteilen 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 Maßgenauigkeit bietet als das Nuten. Dennoch möchte man das Werkstück auf einer Drehmaschine fertigstellen können. Vielfältige Verarbeitung erforderlich."

Zu den verschiedenen gehärteten Werkstückmaterialien gehören Schnellarbeitsstahl, Gesenkstahl, Lagerstahl und legierter Stahl. Nur Eisenmetalle können gehärtet werden, und Härteprozesse 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. Aus gehärtetem Stahl hergestellte Teile umfassen Dorne, Achsen, Verbinder, Antriebsräder, Nockenwellen, Zahnräder, Buchsen, Antriebswellen, Lager und dergleichen.

„Harte Materialien“ ist jedoch ein relativer, sich verändernder Begriff. Einige Leute denken, dass Werkstückmaterialien mit einer Härte von 40-55 HRC harte Materialien sind; andere glauben, dass die Härte von harten Materialien 58-60 HRC oder höher sein sollte. In dieser Kategorie können PCBN-Tools verwendet werden.

Nach dem Induktionshärten 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 größte Teil 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 das Nuten des gehärteten Materials. Bei Werkstückstoffen mit einer Härte von mehr als 50 HRC erfüllen viele leichte Werkzeugmaschinen nicht die geforderten Schnittbedingungen. Wird die Maschinenkapazität (Leistung, Drehmoment und insbesondere Steifigkeit) überschritten, kann die Bearbeitung nicht erfolgreich abgeschlossen werden.“

Steifigkeit ist für die Werkstückhaltevorrichtung sehr wichtig, weil die Kontaktfläche der Schneidkante mit dem Werkstück während des Einstechvorgangs groß ist und das Werkzeug einen großen Druck auf das Werkstück ausübt. Beim Spannen von Werkstücken aus gehärtetem Stahl kann ein breiter Spanner verwendet werden, um die Spannfläche zu verteilen. Paul Ratzki, Marketingleiter von Sumitomo Electric Hard Alloy Co., sagte: „Die zu bearbeitenden Teile müssen fest abgestützt werden. 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. Kann nicht aus der Maschine fliegen oder dazu führen, dass die CBN-Klinge abplatzt oder sogar bricht."

Der Schaft, der den Stecheinsatz hält, sollte so kurz wie möglich sein, um den Überhang zu minimieren und die Werkzeugsteifigkeit 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 aber auch ein modulares Stechsystem an. „Der modulare Schaft kann in Bearbeitungssituationen verwendet werden, in denen das Werkzeug zu einem plötzlichen Ausfall neigt“, sagt er. „Man muss nicht den ganzen Schaft ersetzen, sondern nur eine kostengünstigere Komponente. Der modulare Schaft bietet zudem vielfältige Bearbeitungsmöglichkeiten. Das modulare Grip-System von Iskar kann in eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte eingebaut werden. Sie können einen Werkzeughalter mit 7 verschiedenen Klingen für 7 Produktlinien oder beliebig viele Klingen für unterschiedliche Bearbeitungen verwenden. Die gleiche Produktlinie mit Schlitzbreite."

Die Werkzeughalter von Sumitomo Electric 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, AssistentLeiter der Konstruktionsabteilung des Unternehmens, sagte: „Dieser Werkzeughalter ist zum Einstechen 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 Industrie (wie 50-100 oder 150 Werkstücke pro Schneide) ist die Vorhersagbarkeit der Werkzeugstandzeit besonders wichtig, und Änderungen der Werkzeugstandzeit können einen erheblichen Einfluss auf die Produktion haben."

Berichten zufolge ist das modulare Tri-Lock-Stechsystem der GY-Serie von Mitsubishi Materials in seiner Steifigkeit mit integrierten Sägeblattfuttern vergleichbar. Das System greift die Stechklingen zuverlässig aus drei Richtungen (umfangsseitig, vorne und oben). Sein zweifacher konstruktiver Aufbau verhindert ein Verschieben des Messers beim Nuten: Der V-förmige Vorsprung verhindert ein seitliches Ausweichen des Messers; Der Sicherheitsschlüssel eliminiert die Vorwärtsbewegung der Klinge, die durch die Schnittkraft während der Schlitzbearbeitung verursacht wird.

Üblicherweise verwendete Einstecheinsätze für gehärtete Stahlteile umfassen einfache Vierkanteinsätze, Formeinsätze, geschlitzte Einsätze und dergleichen. Im Allgemeinen müssen die geschnittenen Nuten eine gute Oberflächenbeschaffenheit aufweisen, da sie einen Passabschnitt haben und einige Nuten für O-Ringe oder Sprengringe sind. Laut Mark Menconi, Produktspezialist bei Mitsubishi Materials, „können diese Prozesse in die Bearbeitung von Nuten am Innendurchmesser und Nuten am Außendurchmesser unterteilt werden, aber die meisten Nutoperationen erfordern Feinschneiden, einschließlich einer leichten Berührungspräzision ab einer Schnitttiefe von etwa 0,25 mm ein voller Schnitt 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, ob eine Hartmetall-Wendeschneidplatte, eine Keramik-Wendeschneidplatte oder eine PCBN-Wendeschneidplatte verwendet werden soll. Schmitz: „Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Härten unter 50 HRC wähle ich fast immer Hartmetallplatten. Für Werkstücke mit einer Härte von 50-58 HRC sind Keramikeinsätze eine sehr wirtschaftliche Wahl. Nur beim Werkstück sollten CBN-Wendeschneidplatten für Härten bis 58 HRC in Betracht gezogen werden. Die CBN-Wendeschneidplatten eignen sich besonders für die Bearbeitung solcher hochharter Werkstoffe, da der Zerspanungsmechanismus kein Schneidstoff, sondern eine Werkzeug-Werkstück-Schnittstelle ist. Schmelzen Sie das Material.

Beim Einstechen von gehärteten Stahlteilen mit einer Härte von über 58 HRC ist die Spankontrolle kein Problem. Da in der Regel Trockennuten verwendet wird, sind die Späne eher wie Staub oder sehr kleine Partikel und können mit der Hand abgeblasen werden. Maton von Sumitomo Electric sagte: „Normalerweise bricht und zerfällt diese Art von Spänen, wenn sie auf irgendetwas treffen, sodass der Kontakt der Späne mit dem Werkstück das Werkstück nicht beschädigt. Wenn Sie nach einem Späne greifen, zerschmettern sie in Ihrer Hand.“

Einer der Gründe, warum CBN-Wendeschneidplatten für die Trockenzerspanung geeignet sind, liegt darin, dass sie zwar eine sehr gute Hitzebeständigkeit aufweisen, jedoch die Bearbeitungsleistung bei Temperaturschwankungen stark reduziert wird. Economan sagt: „Tatsächlich erzeugt die CBN-Wendeschneidplatte, wenn sie mit dem Werkstückmaterial in Kontakt kommt, Schnittwärme an der Spitze, aber da die CBN-Wendeschneidplatte weniger anpassungsfähig an Temperaturänderungen ist, ist es schwierig, sie ausreichend zu kühlen, um eine Konstante aufrechtzuerhalten Temperatur. Zustand. CBN ist sehr hart, aber auch sehr spröde und kann aufgrund von Temperaturänderungen 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 Schnittwärme im Werkzeugmaterial während des Schneidvorgangs effektiv abgeführt, da die Späne eine große Wärmemenge abführen können.

Schmitz von Iskar empfiehlt außerdem, das Werkzeug im „umgekehrten“ Zustand zu verarbeiten. Er erklärte: „Bei der Installation eines Werkzeugs an einer Werkzeugmaschine wird das bevorzugte Werkzeug des Maschinenherstellers installiert, indem die Schneide mit der Vorderseite nach oben geschnitten wird, da dies dies ermöglichtDrehung des Werkstücks, um einen nach unten gerichteten Druck auf die Maschinenschiene auszuüben, 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. Wird der Werkzeughalter umgedreht und das Werkzeug verkehrt herum montiert, ist die Schneide nicht sichtbar und der Spänestrom entweicht automatisch durch die Schwerkraft aus dem Schnittbereich.“

Oberflächenhärtung 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 übersteigt, können einige Probleme aufgrund des Wechsels der Nutklinge von einem härteren Material zu einem weicheren Material entstehen. Zu diesem Zweck haben Werkzeughersteller mehrere Klingenqualitäten für unterschiedliche Arten von Werkstückmaterialien entwickelt.

Duane Drape, Verkaufsleiter 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 ein Hartmetalleinsatz verwendet wird, tritt das Problem übermäßigen Verschleißes auf, wenn die Klinge eine harte Oberfläche schneidet Wir können einen Kompromiss wählen: Hartmetalleinsätze mit hoher Härte + supergeschmierte Beschichtungen oder relativ weiche CBN-Wendeplattensorten + Schneideinsätze, die zum Schneiden gängiger Materialien geeignet sind (anstelle der Hartbearbeitung)."

Drape sagte: „Sie können CBN-Wendeschneidplatten verwenden, um Werkstückmaterialien mit einer Härte von 45-50 HRC effektiv zu schneiden, aber die Klingengeometrie 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 Auszieheffekt und die Standzeit des Werkzeugs wird verkürzt. Wird die CBN-Sorte mit geringerer Härte verwendet und die Geometrie der Schneide verändert, lässt sich das Werkstückmaterial mit einer Härte von 45-50 HRC erfolgreich zerspanen.“

Die vom Unternehmen entwickelte S117 HORN-Stechplatte verwendet eine PCBN-Spitze, und die Schnitttiefe beträgt etwa 0,15 bis 0,2 mm, wenn die Zahnradbreite genau geschnitten wird. Um eine gute Oberflächengüte zu erreichen, hat das Messer auf beiden Seiten an jeder Schneide einen Schabhobel.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schnittparameter zu ändern. Laut Economan von Index „können nach dem Durchtrennen 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 anderen Klingen ersetzt oder es wird immer noch die gleiche Klinge verwendet, aber die Schnittparameter auf das entsprechende Niveau erhöht.

Um ein breiteres Verarbeitungsspektrum abzudecken, nehmen PCBN-Klingenqualitäten zu. Sorten mit höherer Härte ermöglichen höhere Schnittgeschwindigkeiten, während Sorten mit besserer Zähigkeit in instabileren Verarbeitungsumgebungen verwendet werden können. Für kontinuierlichen oder unterbrochenen Schnitt können auch verschiedene PCBN-Wendeplattensorten 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 Absplittern neigen. „Wir müssen die Schneide besonders im unterbrochenen Schnitt schonen, die Schneide sollte stärker präpariert werden als im kontinuierlichen Schnitt, und der Schnittwinkel sollte größer sein.“

Die neu entwickelten Sorten IB10H und IB20H von Iskar erweitern seine Groove Turn PCBN-Produktlinie weiter. IB10H ist eine feinkörnige PCBN-Sorte für kontinuierliches Schneiden von gehärtetem Stahl mit mittlerer bis hoher Geschwindigkeit; während IB20H aus fein- und mittelkörnigen PCBN-Körnern besteht, die eine gute Verschleißfestigkeit und Schlagfestigkeit bieten. Die Waage kann den härteren Bedingungen des unterbrochenen Schneidens von gehärtetem Stahl standhalten. Der normale Fehlermodus eines PCBN-Werkzeugs sollte sein, dass die Schneidkante verschleißtanstatt plötzlich zu knacken oder zu knacken.

Die von Sumitomo Electric eingeführte beschichtete PCBN-Sorte BNC30G wird zum unterbrochenen Einstechen von Werkstücken aus gehärtetem Stahl verwendet. Zum kontinuierlichen Nuten empfiehlt das Unternehmen seine universelle Klingensorte BN250. Maton sagte: „Beim kontinuierlichen Schneiden wird die Klinge lange geschnitten, was viel Schneidwärme erzeugt. Daher ist es notwendig, eine Klinge mit guter Verschleißfestigkeit zu verwenden. Beim intermittierenden Nuten tritt die Klinge kontinuierlich in den Schnitt ein und verlässt ihn wieder. Es hat einen großen Einfluss auf die Spitze. Daher ist es notwendig, eine Klinge mit guter Zähigkeit zu verwenden, die intermittierenden Stößen widerstehen kann. Darüber hinaus trägt die Klingenbeschichtung auch zur Standzeitverlängerung bei.“

Unabhängig von der Art der bearbeiteten Nut können Werkstätten, die sich bisher auf das Schleifen zur Endbearbeitung von gehärteten Stahlteilen verlassen haben, auf das Nuten mit PCBN-Werkzeugen umgestellt werden, um die Produktivität zu steigern. Hartrillen kann eine mit Schleifen vergleichbare Maßgenauigkeit erreichen und gleichzeitig die Bearbeitungszeit erheblich verkürzen.