Schneiden- und Zerspantechnologie beim Drehen

Entwicklung und Geschichte

Die Ehre, das Drehen im heutigen Sinne erfunden zu haben, kommt wahrscheinlich den alten Agyptern zu. Die in ihren Gräbern gefundenen gedrehten Tongefäße aus dem 4. und 5. jahrtausend v.Chr. werfen schon einen hohen Grad von technischer Vollkommenheit auf.

Nach der griechischen Überlieferung zu Folge, soll der Erfinder des ersten "Luftschiffs" ,  Dädalus, auch der Erfinder der ersten Drehbank sein. Zum bau seines Luftschiffes soll er runde, gedrehte Stangen verwendet haben. Zur Herstellung dieser Teile wurden vermutlich von Hand geführte Bronze- und oder Oxidian- bzw. Meißel mit aufgesetzter Feuersteinschneide benutzt.

Mit dem Untergang der Alten Völker gingen auch ihre technischen Errungenschaft mit verloren. Mittelalterlichen Klosterbrüdern ist es zu verdanken, das diese die alten Schriften studierten und der Drehbank und deren Zerpanungswerkzeugen wieder einen neuen Aufschwung verschafften. Klosterbrüder waren es wohl auch, welche die Drehbank dadurch bedeutend verbesserten, indem sie eine Schnur mit einem Fußtritt und einem an der Decke befestigten federnden Holz verbanden. Durch diese Wippe hatte nun der Fuß den Antrieb übernommen, so dass die Hände für die eigentliche Dreharbeit frei blieben. Nun konnte ein einzelner Mann sowohl das Werkzeug Führen als auch das Werkstück antreiben. Die benutzen Drehmeißel waren zu damaliger Zeit handgeführte Meißel aus geschmiedetem Eisen.

Mit der Vergrößerung und Vervollkommnung der Drehbänke wuchs die Notwendigkeit, die Schlittenführung zu verbessern. Um das Jahr 1880 war die Längsrichtung des Schlittens keilförmige Leiste als bestes, wenn auch teueres Mittel zur Sicherung von Schlitten anerkannt, allgemein eingeführt wurde sie aber erst  in den 90er Jahren.

Eine wesentliche Verbesserung brachte der weitere Ausbau des Antriebs des Dreh- und Spindelstocks durch den Einbau einer glatten Riemenscheibe und später einer Stufenscheibe an Stelle der alten Schnurrolle. Ein weiterer Fortschritt war die Hinzufügung eines oder mehrerer Zahnradvorgelege, um die Geschwindigkeit möglichst oft ändern zu können. Die nächste Verbesserung war, die Führung des Schlittens und das gleichmäßige weiterschieben desselben durch eine Schraubenspindel.

der Somit war Grundstein des Heutigen Drehens gelegt und der heute bekannten Drehmeißel. Die Handführung war nun veraltet und die Entwicklung des heute bekannten Drehmeißelprinzips konnte beginnen. Mit der Erfindung des Legierten Stahls stand dem Schnellarbeitsstahl nichts mehr im Wege. Krupp erfand anfangs dieses Jahrhunderts das Hartmetall und die Moderne des Drehens brach herein.

Grundaufbau des modernen Drehmeißels

Alle Drehmeißel sind in ihrem Grundaufbau gleich. Das heißt, in ihrem äußeren Erscheinungsbild, und in den verwendeten Materialien für die Schneide sind zwar große Unterschiede, aber alle Drehwerkzeuge müssen ein und dem selben Bearbeitungsprinzip folgen.

Denn Drehen ist ein spanendes Fertigen von Rundteilen. Als Werkzeug benutzt man  einen einschnittigen Drehmeißel, der ständig im eingriff ist. Durch diese immer gleiche Gegebenheit ergibt sich, dass alle Meißel den gleichen Grundaufbau haben müssen.

Dies wird an folgender Einteilung der Schneidenwinkel deutlich.

Die entsprechenden Winkel a b g e k l am Drehmeißel zeigen ein Beispiel

für Schruppbearbeitung (Schwerstzerspanung) dabei kann g auch negativ werden.

Die entsprechenden Winkel a b g e k l sind am Drehmeißel  wie folgt angeführt.

a = Freiwinkel , b = Keilwinkel ,   g = Spanwinkel  , k = Einstellwinkel ,                         e = Eckenwinkel , l = Neigungswinkel.

Drehmeißel

Für die unterschiedlichen Drehaufgaben, die sich bei dem Fertigungsverfahren Drehen ergeben, stehen verschiedene Drehmeißel zur Verfügung. Je nach dem wie die Lage des Schneidenkopfes zum Schaft ist, unterscheidet man zwischen geraden, gebogen und abgesetzten Drehmeißeln.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Bearbeitungsrichtung. Ein Drehmeißel, der von rechts nach links arbeitet, bezeichnet man als rechten und einen Drehmeißel, der von links nach rechts arbeitet, als linken Drehmeißel. Wobei sich das Drehen von Rechts nach Links weitgehend durchgesetzt hat. Außerdem werden Drehmeißel für Innen- und Außendrehen unterschieden.

Die folgende Darstellung zeigt die wichtigsten Drehmeißelformen:

 

Bezeichnung der Drehmeißel:
 

Der richtige Umgang

Drehmeißel sind, zur Vermeidung von Schwingungen und Rattermarken, kurz einzuspannen, sowie senkrecht zur Werkstückachse und mittig zum Werkstück.

Rattern

Rattern = Schwingungen an der Werkzeugmaschine und/oder am Werkzeug und/oder am Werkstück.

Mögliche Abhilfen:

- Spannverhältnisse am Werkstück, Werkzeug und an der Maschine ändern

(Werkzeug möglichst kurz einspannen)

- Spanstauchung verringern (Nachstellen der Spanleitstufe)

- Schnitttiefe verkleinern

- Vorschub erhöhen

- kleinerer Eckenradius am Werkzeug

- Werkzeug nachschleifen oder Platte wechseln

- Spanwinkel vergrößern

- Einstellwinkel vergrößern

- Freiwinkel verkleinern (leichtes 'Übermittestellen')

- Dämpfung vergrößern (durch Anbrigenvon Dämpfungsmassen)

- Werkzeugstabilität vergrößern (größerer bzw. stabilerer Schaftquerschnitt)

Genauigkeit und Oberflächengüten

Die maximal erreichbare Genauigkeit beim Drehen mit modernen Schneidstoffen an einer guten CNC-Drehbank liegt im Hundertstelbereich. Absolutes Maximum sind Erfahrungsgemäß ca. 0,005 mm.

Schlichten, üblicherweise . IT7 bis IT8

Mit Keramik- und Diamantwerkzeugen kann beim Schlichten bis zu IT5 erreicht werden.

Oberflächenrauhigkeit

Die theoretische Oberflächenruhigkeit ist abhängig vom Spitzenradius r und vom Vorschub s.

Für R_t gilt (s> 0,1 mm/U):

R_t. Rauhtiefe [mm]

s .. Vorschub [mm]

r .. Eckenradius [mm]

Die tatsächliche Rauhtiefe weicht allerdings vom theoretischen Wert ab, wegen:

- Laufruhe der Maschine (Schwingungen)

- Verschleiß der Schneide

- Schnittgeschwindigkeit

Schlechte Oberfläche beim Schlichten

Mögliche Abhilfen:

- höhere Schnittgeschwindigkeit (vermeidet Aufbauschneide)

- kleinerer Vorschub

- scharfes Werkzeug (neu geschliffen oder verscheißfesteres Werkzeug)

- Spannverhältnisse bzw. Schwingungen überprüfen

- günstigere Schneidengeometrie (größerer Eckenradius, größerer Spanwinkel)

- bessere Spanbafuhr (zur Vermeidung von Beschädigungen der Werkstückoberfläche)

Schneidstoffe

Als Schneidsoffe bezeichnet man Werkstoffe, die für den Schneidteil von spanenden Werkzeugen verwendet werden.. Die Art der Beanspruchungen der Schneidstoffe ist außerordentlich vielfältig und führt zu einer Reihe von zu fordenden Eigenschaften, wie z.B.:

- Härte und Druckfestigkeit

- Biegefestigkeit und Zähigkeit

- Kantenfestigkeit

- innere Bindefestigkeit

- Warmfestigkeit oder Wärmehärte

- geringe Oxidations-, Diffusions, Korrosions und Klebneigung

Abtriebfestigkeit

Bei den Schneidstoffen unterscheidet man zwischen:

- Beschichtbare Schneidstoffe

- Harte Schneidstoffe

- Sonstige Schneidstoffe

Das wichtigsten Verfahren zur Beschichtung mit Hartstoffen sind die CVD und die PCD-Methode.

CVD-Verfahren:

Beim CVD-Verfahren erolgt der Schichtaufbau chemisch durch Abscheiden der Hartstoffe as der Gasphase. Die Prozeßtemperatur liegt bei 800°bis 1000°C. Dadurch  ist dieses Verfahren vor allem für Hartmetalle geeignet.

Ein besonderer Vorteil der CVD-Technik ist, daß mehrlagige Schichten aus verschiedenen Hartstoffen hergestellt werden können ("Hybridbeschichtung").

PVD-Verfahren:

Beim PVD-Verfahren erfolgt der Schichtaufbau durch physikalische Abscheidung aus der Gasphase. Da die Prozeßtemperatur hier nur bei 400° bis 500°C liegt, eignet sich das Verfahren besonders gut für das Beschichten von Schnellarbeitsstahl (HSS) und gelöteten Hartmetallwerkzeugen. Im Gegensatz zu CVD erzeugen die Schichten hier Druckspannungen, was für das Substrat verbessertes Zähigkeitsverhalten ergibt.

Hochlegierten Werkzeugstahl:

Dieser wird auch Schnellarbeitsstahl  (HSS) genannt, weil er wegen der über 5%igen Legierungszusätze eine höhere Härte besitzt und deshalb akzeptable Schnittgeschwindigkeiten zulässt. HSS wird besonders dort eingesetzt, wo es auf Zähigkeit, große Spanwinkel und scharfe Schneiden, nicht aber auf hohe Schnittgeschwindigkeit oder Wärmehärte ankommt. Typische Anwendungen sind Bohr-, Reib-, und Verzahnwerkzeuge.

Harte Schneidstoffe:

Hartmetalle:

Sie sind gesinterte naturharte, pulvermetallurgisch hergestellte Legierungen auf Carbidbasis mit Bindemetall (Co, Ni)

Die verschiedenen Bindemetallarten begrenzen die Arbeitstemperatur der Hartmetalle.

Sie haben gegenüber Stahlwerkzeugen eine große Härte und Verschleißfestigkeit, hohe Druckfestigkeit und Dichte. Sie reagieren aber empfindlich auf Temperaturschwankungen und spezifische chemische Reaktionen. Allgemein sind die Schneidkanten gerundet oder besitzen eine Fase.

Es gibt drei bedeutende Gruppen bei Hartmetallen welche die Eigenschaften wesentlich beeinflussen.

Eine Gruppe besteht aus WC(Wolframcarbid) mit Zulegierung von TiC(Titancarbid), Ta(Nb)C(Tantalcarbid) und Co(Kobalt). Sie sind bei hohen Schnittgeschwindigkeiten relativ diffusionsfest. Deshalb werden sie vor allem für Stahlzerpanung im oberen Schnittgeschwindigkeitsbereich benutzt.

Eine weitere Gruppe besteht vorwiegend aus WC-Co-Legierungen. Sie sind sehr abriebfest, Diffusion tritt leichter ein als bei der vorherigen Gruppe. Allgemeine Anwendung bei lang oder kurzspanenden Werkstoffen und Nichteisenmetallen als auch bei kurzspanenden Eisenmetallen, für Nichteisen und Nichtmetalle. Wenn diese Hartmetalle eine Korngröße von durchschnittlich 0.6 µm haben, spricht man von Fein oder Feinstkornhartmetall. Dadurch lassen sich scharfkantige Schneiden herstellen, und die Standzeit wird fast verdoppelt.

Eine besondere Gruppe der Hartmetalle sind die Cermets, die aus gesinterten Legierungen bestehen. Cermets sind chemisch stabil, ihre geringe Oxidationsneigung verringert den Kerbverschleiß gegenüber den Hartmetallen mit geringerem Kerbverschleiß. Daher entstehen auch weniger Oberflächenbeschädigungen am Werkstück.

Aus diesen Eigenschaften lassen sich die Einsatzgebiete ableiten:

Schlichtzerpanung von Stahl mit hoher Schnittgeschwindigkeit und kleinen Spanungsquerschnitten. Da Cermets sehr feinkörnig sind, können besonders scharfkantige Schneidkanten hergestellt werden. Bei Vorschüben von 0.25 bis 0.3mm haben Cermets meistens ihre Grenze erreicht. Darüber sind die beschichteten Hartmetalle besser geeignet.

Schneidkeramik:

Als Schneidkeramik bezeichnet man Schneidstoffe aus Aluminiumoxid (Al2O3) oder Siliziumnitrid(Si3N4) als Basis. Die Schneidkeramik wird in zwei Arten unterteilt in Reinkeramiksorten und den Mischkeramiksorten.

Die Reinkeramiksorten werden angewendet für die Schrupp- und Schlichtzerspanung von Eisengusswerkstoffen. Mischkeramiksorten eignen sich vor allem für die Drehbearbeitung von Eisengusswerkstoffen.

Da  Schneidkeramik hohe Schnittgeschwindigkeiten zulässt kann man z.B. Beim Drehen längere Werkstücke verwenden d.h. bei langen Werkstücken ist es wirtschaftlich Schneidkeramik einzusetzen.

Sonstige Schneidstoffe:

Diamant und Bohrnitrid:

Schneidstoffe auf der Basis von Diamant und Bohrnitrid werden zunehmend zum Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden benutzt. Diamant ist der härteste Schneidstoff und kann in mono- oder polykristalliner Form für die Zerspanung verwendet werden. Während monokristalliner Diamant auf Grund seiner begrenzten mechanischen Belastbarkeit nur für die Feinbearbeitung mit einer Schnitttiefe bis etwa 1.5mm eingesetzt werden kann, sind bei polykristallinem Diamant eine Schnittriefe bis zu 12mm und größere Vorschübe anwendbar.

Anwendung findend Diamantwerkzeuge bei der Bearbeitung von:

- Leichtmetallen (Aluminium, Titan)

- Schwermetallen (Kupfer, Zinklegierungen)

- Edelmetallen (Platin, Gold, Silber)

- Kunststoffen (faserverstärkte Kunststoffe, Polytetrafluorethylen)

- anderen nicht metallischen Werkstoffen (z.B. Hartgummi, Graphit, Keramik, Glas,  Gestein, Asbest)

Allerdings können Eisen-Gusswerkstoffe und Stähle  wegen der Affinität des Diamantkohlenstoffes zum Eisen nicht mit Diamant zerpant werden.

Kubisch kristallines Bohrnitrid(CBN):

Sie gehört nach dem Diamanten zu den härtesten Schneidstoffen. Wegen der chemischen Beständigkeit gegenüber Eisen in Verbindung mit einer verhältnismäßigen hohen Druck und Biegefestigkeit sowie Thermostabilität ist dieser Schneidstoff besonders bei Bearbeitung von hochwarmfesten Legierungen auf Kobalt- und Nickelbasis geeignet.

Die CBN-Werkzeuge ermöglichen beim Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden bereits Oberflächengüten, die in einigen Fällen die Anwendung von Feinbearbeitungsverfahren entbehrlich machen können.

Moderne Werkzeuge

Am Anfang der Hartmetallwerkzeuge stand der aufgelötete Meißel, der auch heute noch verwand wird, allerdings nur bei untergeordneter Fertigung. Denn bei einer modernen Fertigung treten Probleme auf. Bei aufgelöteten Hartmetallplatten besteht die Gefahr von Rissbildung, besonders durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten von Werkzeuggrundkörper und Schneidplatte sowie infolge unsachgemäßen Nachschleifens.

Diese Nachteile werden durch mechanische Befestigungs- und Klemmsysteme vermieden, zusätzlich gestatten sie einen schnelleren Schneidenwechsel unter Wegfall der Kosten für Nachschleifarbeiten. Ein weiterer Vorteil von modernen Schneidplatten besteht in der Möglichkeit den Span effektiv zu formen und zu brechen. Dies kann durch eine spezielle Geometrie an der Schneidkante erreicht werden.

Um Heutzutage flexibel, schnell und kostengünstig fertigen zu können, verwendet man hauptsächlich Meißel mit Wendeschneidplatten.

Das Wendeschneidwerkzeug besteht aus einem Klemmhalter, auf dem durch ein Klemmsystem Hartmetallschneidplatten festgehalten werden. 
Die Schneidplatten gibt es in verschiedensten Formen und Größen und verschiedenen Span - und Freiwinkeln. Da diese Schneidplatten mehrere Schneiden haben, die man durch Verdrehen bzw. Wenden nacheinander zum Einsatz bringen kann, werden diese Platten Wendeschneidplatten genannt.

Quellenangabe

Fachbuch: Fachkunde Metall 

Fachbuch: Grundkenntnisse Metall

Unterlagen aus der Fertigungstechnik Herr Bagus

Unterlagen aus CNC-Kurs Lang

Techniker Handbuch

Tabellenbuch

Verschiedene Internetseiten von Herstellern wie Widia, Hitatchi, usw. und Fachhochschulen z.B. FH Aachen, www.industrie.net, und andere.

Verkaufsprospekte von Widia, Hitatchi, Iscar und anderen.