Hochleistungszerspanung ist Gradmesser

¿Zerspanbarkeit ist keine Werkstoffeigenschaft, sondern eine Systemgröße des Gesamtsystems Zerspanprozess¿, gab Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Weinert, Leiter des Instituts für Spanende Fertigung (ISF) an der Universität Dortmund, den Teilnehmern der diesjährigen Dortmunder Fachgespräche ¿Zerspanen im modernen Produktionsprozess¿ mit auf den Weg. Während in vielen Bereichen der spanenden Fertigung die Leistungsgrenzen ständig erweitert werden, gelte es bei zahlreichen modernen Konstruktionswerkstoffen Konzepte zu entwickeln, die eine wirtschaftliche Bearbeitung überhaupt erst ermöglichen.

Die Anforderungen an die Herstellung von Produkten wachsen mit den Anforderungen an die Produkte selbst. Zum einen werden Werkstoffe neu- und weiterentwickelt, zum anderen verlangt der Wettbewerb kostengünstige und flexible Fertigungsprozesse. Deshalb sei es notwendig, Prozessketten in der Produktion kontinuierlich zu analysieren und zu verbessern. Die Umsetzung neuer Technologien erfordert dabei leistungsfähige Werkzeuge und innovative Maschinenkonzepte, um eine wirtschaftliche und gleichzeitig prozesssichere Bearbeitung zu gewährleisten.
So werden beispielsweise im Flugzeugbau zunehmend Schichtverbunde aus Aluminium, faserverstärkten Kunststoffen und Titan als Leichtbauwerkstoffe eingesetzt. Die Bohrungsbearbeitung dieser Compound-Werkstoffe ist aufgrund der stark unterschiedlichen Materialeigenschaften der einzelnen Schichten im Allgemeinen durch einen hohen Werkzeugverschleiß und schlechte Bauteilqualitäten gekennzeichnet. Als Trend in der Beschichtungstechnologie ist festzustellen, dass aluminiumhaltige, nanokristalline AlTiN-Schneidstoffbeschichtungen bei der Zerspanung von Hochtemperaturlegierungen deutlich höhere Standzeiten ermöglichen als herkömmliche PVD-Schichtsysteme.
Als aktuelle Entwicklungsschwerpunkte bei Präzisionswerkzeugen nennt Professor Weinert die Themen: ¿Modulare Werkzeuge, Kombinationswerkzeuge, Hauptzeitreduktion mittels Vorschuberhöhung durch Vergrößerung der Schneidenanzahl (Beispiel Mehrschneidenreibahlen) sowie aktorische Werkzeuge.¿
Als Konsequenz aus der Weiterentwicklung innovativer Werkstoffe könne die Antwort auf Werkzeug- und Schneidstoffseite nur lauten: ¿Erweiterung der Anwendungsfelder konventioneller Schneidstoffe (Beispiel Keramik-Hartmetall-Verbundbohrwerkzeug), gleichzeitige Erhöhung von Härte und Zähigkeit von Sinterschneidstoffen, Entwicklung hochharter Beschichtungen, universelle Beschichtungen für den Werkstatteinsatz, spezifische Lösungen für die Großserie sowie (im Bereich Hartmetall- und Beschichtungsentwicklung) die Nanotechnologie.¿
Leistungsreserven sieht Institutsleiter Weinert noch in der Erhöhung der Zähigkeit des Substrates bei gleichbleibender Härte, der Abscheidung stabiler hochharter Beschichtungen (Diamant, CBN, etc.) unter niedrigen Temperaturen (PVD-Verfahren), in der Konturoptimierung sowie der Schneidkantenpräparation (gewollte Eigenspannungen, die abhängig sind von Substrat, Beschichtung und Geometrie).
Heiß diskutiert in der Zerspanungswelt werden seit Jahren die Themen Trockenbearbeitung und HPC ¿ wie aber sieht es aus, wenn moderne Konstruktionswerkstoffe ins Spiel kommen? ¿Kein Problem¿, sagt Weinert, ¿das geht ¿ unter Berücksichtigung der Randbedingungen für die Trockenbearbeitung, d.h. angepasste Werkzeuge, Schneidstoffe und Prozessführung.¿ Eine starke Abhängigkeit bestehe allerdings von den spezifischen Werkstoffeigenschaften. So sei beispielsweise eine Hartbearbeitung nur trocken möglich.
Als aktuelle Entwicklungsschwerpunkte bei Präzisionswerkzeugen nennt Dr. Dieter Kress, Vorsitzender des Fachverbands Präzisionswerkzeuge im VDMA und hauptberuflich Geschäftsführender Gesellschafter der Mapal Dr. Kress KG, Aalen, ¿Entwicklungen mit dem Ziel des Reduzierens von Nebenzeiten, die inzwischen oft weit höher sind als die Hauptzeiten sowie Komplettbearbeitungswerkzeuge und Kombinationswerkzeuge, aber auch Werkzeuge, die gesichert lange Standzeiten garantieren.¿ Weiter müsse man die ebenfalls interessante Entwicklung von Kopf-Wechselsystemen sehen ¿ zum Beispiel HFS von Mapal.
Speziell für GFK, aber auch für rostfreie Materialien, werden auf Basis von PKD und Cermet als Schneidstoffe neue Werkzeuge mit neuen Geometrien entwickelt. Eine einzige Richtung für die Bearbeitung solcher neuen Werkstoffe ¿gibt es sicher nicht.¿ Leistungsreserven im Zusammenhang zwischen Schneidstoff, Beschichtung und Werkzeuggeometrie sieht Kress überall: ¿Auch bei eigentlich bekannten Schneidstoffen wie Cermet konnten deutliche Steigerungen erzielt werden, ebenso bei den Beschichtungen, die mehr und mehr an Bedeutung gewinnen. Dabei sind zum Teil neue Geometrien notwendig und auch ¿ das ist nicht zu vernachlässigen ¿ neue Kantenpräparationen.¿
Die Frage nach dem Spagat zwischen intelligenter und einfacher werdenden Werkzeugen beantwortet der Verbandsvorsitzende mit einer Gegenfrage: ¿Was ist die Intelligenz eines Werkzeuges?¿ Die Antwort schiebt er gleich hinterher: ¿Es gibt sie nicht, es gibt nur die beste Lösung für eine Bearbeitungsaufgabe. Die kann auch in einem simplen Werkzeug bestehen.¿ Die einfachste Lösung, zum Beispiel nur Bohren, nicht Senken, nicht Reiben könne die ¿intelligenteste¿, weil kostengünstigste und ausreichende Bearbeitungslösung sein. ¿Insgesamt ist aber eine deutliche Tendenz zu möglichst einfachen Werkzeugen zu erkennen.¿
¿Unser Entwicklungsschwerpunkt¿, sagt Frank-M. Wohlhaupter, Geschäftsführer der Wohlhaupter GmbH, Frickenhausen, ¿liegt eindeutig bei der Universalität und Modularität. Mit möglichst einfachen Mitteln soll der Anwender aus einem Baukastensystem seine Werkzeuglösung zusammenbauen können¿. Ein weiteres Merkmal sei die Bedienerfreundlichkeit und Handhabung. Mitarbeiter in der Fertigung beim Kunden seien heute leider nicht mehr so gut und im Detail ausgebildet. Somit komme auf die Werkzeughersteller immer mehr Aufwand an Schulungen zu, ¿der leider auch nicht bezahlt wird¿.
Bei der Werkzeug- und Schneidstoff-entwicklung für innovative Werkstoffe hält sich Wohlhaupter stark zurück: ¿Wir beteiligen uns nicht an der Entwicklung neuer Schneidstoffe oder Beschichtungen, sondern greifen auf die am Markt verfügbare Technologie zurück und beziehen die Schneiden von unterschiedlichen Herstellern, was uns komplett unabhängig macht.¿ Die Möglichkeiten im Zusammenspiel zwischen Schneidstoff, Beschichtung und Werkzeuggeometrie seien bei weitem noch nicht ausgeschöpft.
¿Werkzeuge müssen¿, so Wohlhaupter, ¿heute und in Zukunft immer genauer, einfacher in der Bedienung und möglichst auch noch universeller werden. Wir können uns immer weniger Ausschuss leisten, bei immer schneller werdenden Prozessen und Taktzeiten. Darüber hinaus erreichen wir heute in den Fertigungen eine wachsende  Anzahl von Varianten und auch Vielzahl an ähnlichen Bauteilen. Das heißt, dass ein Werkzeug heute so universell aber auch speziell wie möglich sein sollte. Das ist aber gerade der große Widerspruch.¿
Für Dr.-Ing. Dirk
Kammermeier, Geschäftsbereichsleiter Entwicklung Standardprodukte der Kennametal GmbH & Co. KG, Fürth, ist bei der Entwicklung von Präzisionswerkzeugen ¿ein klarer Trend zu Systemwerkzeugen zu erkennen, die mehrere Funktionen in einem Werkzeug abbilden wie etwa Bohren und Reiben, Drehen und Fräsen.¿ Trend sei aber auch der modulare Aufbau von Multifunktionswerkzeugen. So habe Kennametal Softwaresysteme entwickelt, die nur durch das Anklicken einzelner Module die Erstellung eines komplexen Werkzeuges mittels CAD stark vereinfachen. Im Hintergrund werden auch automatisch die CAM-Programme entwickelt.
Bei der Werkzeug- und Schneidstoff-entwicklung für innovative Werkstoffe sieht Kammermeier zwei wesentliche Entwicklungsrichtungen: ¿Die eine ist der Leichtbau, die andere ist die Erhöhung der Leistungsdichte der Komponenten.¿ Der Leichtbau wird durch Aluminium, Magnesium und faserverstärkte Kunststoffe repräsentiert. Diese Werkstoffe können ¿hochgradig effektiv mit PKD bearbeitet werden.¿ 
Die zweite Richtung wird durch hoch vergütete Werkstoffe geprägt, die im gehärteten Zustand vorliegen oder eine hohe Härte bei gleichzeitig hoher Zähigkeit aufweisen (z.B. ADI). Hierfür werde intensiv an hochharten und verschleißbeständigen PVD- und CVD-Schichtsystemen gearbeitet. Aber auch die Oberflächenzustände der Schichten gewinnen zunehmend an Bedeutung. Leistungsreserven sieht Kammermeier noch bei den Zerspanungsraten, ¿die in den letzten zehn Jahren im Schnitt um den Faktor 2 bis 10 angehoben wurden. Diese Entwicklung wird sich auch so fortsetzen. Wir sehen derzeit noch kein Ende. Neue Spanformsimulationsmöglichkeiten, die Kennametal besitzt, lassen im Bereich der Spanformstufen kurzfristige Fortschritte erwarten.¿
 Die Dreierbeziehung Trockenbearbeitung, HPC und moderne Konstruktionswerkstoffe bringt Dirk Kammermeier so auf Linie: ¿Trockenbearbeitung setzt sich zunehmend durch. Alle neuen Werkzeugentwicklungen berücksichtigen den Trockeneinsatz. HPC und Trockenbearbeitung sind keine Gegensätze, sondern bedingen einander. Hochtemperatur-Schneidstoffe wie Hartmetall und Keramik sind sehr temperaturbeständig, aber nicht temperaturwechselbeständig. Vor diesem Hintergrund muss bei der Hochgeschwindigkeitszerspanung die Kühlung abgeschaltet werden¿.
Den Entwicklungsschwerpunkt bei Präzisionswerkzeugen sieht Martin Schmid, Leiter Zerspanungstechnologie der Ex-Cell-O GmbH, Eislingen/Fils, ¿im Moment bei der Trockenbearbeitung¿. Für ihn lautet die Frage: ¿Wie kann gewährleistet werden, dass der Schmierstoff bei der MMS-Bearbeitung von z.B. 10 ml/h optimal an die Schneide gelangt, und wie werden bei Führungsleistenwerkzeugen die HM- und PKD-Führungsleisten mit Schmierstoff versorgt?¿ Hohes Entwicklungspotenzial stecke zudem wohl immer noch in den Schnittstellen von Werkzeughalter und Werkzeug sowie in der Auslegung der Kühlmittelkanäle.
Nach Schmids Einschätzung sind die hauptsächlich zu bearbeitenden Werkstoffe der Automobilindustrie GG 25, GGV, Stahl-Aluminium-Legierungen und zum Teil Magnesium-
Legierungen. Die Anforderungen an Werkzeuge und Schneidstoffe sind, je nach Materialzusammensetzung, speziell zu definieren, ¿wobei hier durch die Vielfalt von Schneidstoffen wie HSS, HM, PKD, Keramik, CBN und weitere eine im Moment akzeptable Auswahl an Werkzeugschneidstoffen auf dem Markt vorhanden ist.¿
Ebenso wie die Vielfalt der Schneidstoffe, die es auf dem Werkzeugsektor gibt, ¿finden wir im Bereich der Beschichtungstechnologie und Schneidstoffgeometrie ständige Verbesserungen. Letztendlich sind die hohen Schnitt- und Vorschubwerte bei der Zerspanung auf diese Innovationen zurückzuführen.¿ Um jedoch die immer höheren Ansprüche der Automobilindustrie zu erfüllen, müsse noch an Geometrien und optimalen Beschichtungen entwickelt werden. 
¿Intelligenter oder einfacher?¿ Sowohl als auch, meint Martin Schmid: ¿Es ist sicherlich nicht möglich, einen Trend zu intelligenten oder zu simplifizierten Werkzeugen festzulegen, da beides bei der Zerspanung seine Anwendung findet.¿ Kompensierbare Werkzeuge bieten einen Vorteil, da mit solchen Werkzeugen eine Schneidenkompensation und flexiblere Bearbeitungsstrategie durchgeführt werden kann.  Bei der Bearbeitung moderner Konstruktionswerkstoffe sei ein klarer Trend zu mehrschneidigen Werkzeugen vorhanden: ¿Standzeiten der Werkzeuge können durch die Mehrschneidigkeit eines Werkzeuges klar verbessert werden.¿ 

www.isf.de
www.vdma.org
www.wohlhaupter.de
www.kennametal.com
www.ex-cell-o.de