Mit Schneidkeramik zu maximaler Produktivität beim Drehen

Durch ihre hervorragenden Eigenschaften und die Optimierung der Bearbeitungsstrategien können keramische Schneidstoffe die Produktivität beim Drehen erheblich steigern. Die richtige Auswahl und Anwendung sind jedoch entscheidend, um die Vorteile von Schneidkeramik in der Zerspanungstechnologie voll auszuschöpfen.

Schneidkeramik gehört zur Kategorie der fortschrittlichen Schneidstoffe und überzeugt durch physikalische und thermische Eigenschaften, die Hartmetall in bestimmten Anwendungsbereichen übertreffen. Ihre Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit machen Keramik besonders für Anwendungen geeignet, die hohe Produktivität und Prozesssicherheit erfordern. Trotz eines höheren Preises pro Schneidkante – etwa zwei- bis dreimal so teuer wie Hartmetall – rechtfertigen Keramikeinsätze ihre Kosten durch deutliche Verkürzungen der Zykluszeiten und langfristige Einsparungen.

Keramische Schneidstoffe sind etwa 40 % härter als Hartmetall. Diese Eigenschaft ermöglicht eine hohe Verschleißfestigkeit, was insbesondere bei der Bearbeitung harter Materialien von Vorteil ist.

Erez Speiser
The Machining Doctor

„Schneidkeramik bietet enorme Vorteile für die Hochleistungszerspanung, insbesondere bei Anwendungen und Werkstoffen, die hohe Schnittgeschwindigkeiten und thermische Stabilität erfordern – wie hochwarmfeste Legierungen, gehärtete Stähle und Gusseisen.“

Überblick über keramische Schneidstoffe

Keramische Schneidstoffe bestehen hauptsächlich aus Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliziumcarbid (SiC) und anderen keramischen Verbindungen, oft ergänzt mit Zusatzstoffen und Beschichtungen, die die Schneidleistung und thermische Stabilität verbessern. Ihre Härte liegt mit 2.100 bis 2.500 HV etwa 40 Prozent über der von Hartmetallen (1.300 bis 1.800 HV). Diese Eigenschaft sorgt für hervorragende Verschleißfestigkeit, was die Werkzeugstandzeit verlängert und Werkzeugwechsel reduziert.

Selbst bei extremen Temperaturen bleiben keramische Werkzeuge stabil und reagieren nicht chemisch mit dem Werkstoff. Dies erhöht die Werkzeugstandzeit, verbessert die Oberflächenqualität und minimiert das Risiko von Werkzeugbruch. Keramik leitet Wärme nur minimal. Dadurch wird die entstehende Hitze hauptsächlich in den Span abgeleitet, wodurch die Schneidkante stabil bleibt. Das Ergebnis sind längere Werkzeugstandzeiten und bessere Oberflächenqualität.

Keramikeinsätze sind in der Regel pro Schneidkante zwei- bis dreimal so teuer wie Hartmetalle. Dennoch zeigen sich in bestimmten Anwendungen die Vorteile deutlich, da sie durch die Verkürzung der Zykluszeiten zu erheblichen Kosteneinsparungen führen können.

Anwendungsgebiete für Keramikeinsätze

Für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl bis 45 HRC eignen sich beschichtete Hartmetalleinsätze bei einer Schnittgeschwindigkeit von maximal 90 m/min. Keramikeinsätze ermöglichen eine Verdopplung der Schnittgeschwindigkeit und bearbeiten Materialien bis 60 HRC. CBN-Einsätze (Cubic Boron Nitride) bearbeiten Stahl bis 70 HRC und sind schneller als Keramik, jedoch viermal teurer. Keramik bietet somit ein gutes Preis-Leistungs-Verhältnis für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl im Härtebereich von 45 bis 55 HRC.

Beim Bearbeiten von Gusseisen ermöglichen keramische Einsätze Schnittgeschwindigkeiten bis 800 m/min, wodurch Zykluszeiten um 40 bis 60 Prozent reduziert werden. Bei der Bearbeitung von nickelbasierten Superlegierungen, die beispielsweise in Flugzeugtriebwerken verwendet werden, führen Hartmetalle bei Schnittgeschwindigkeiten von 45 m/min zu langen Zykluszeiten. Mit Keramikeinsätzen können Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden, die bis zu sechsmal höher sind als bei Hartmetall, was die Zykluszeiten verkürzt. Trotz höherer Anschaffungskosten bieten Keramikeinsätze durch ihre Langlebigkeit und reduzierten Bearbeitungszeiten langfristige Kosteneinsparungen.

Keramik bietet hervorragende Leistungen beim Bearbeiten von gehärtetem Stahl, Gusseisen und nickelbasierten Superlegierungen.

Schneidenkantenpräparation

Die Schneidenkantenpräparation bezieht sich auf die Mikrogeometrie der Schneidkante, was den Einfluss auf die Schneidleistung erheblich verstärkt, besonders bei keramischen Schneidstoffen. Bei der Bearbeitung mit keramischen Einsätzen ist es entscheidend, die Schneidenkantenpräparation auf die Anwendung abzustimmen. Die Schneidenkantenpräparation setzt sich aus drei Parametern zusammen:

• Fasenwinkel: Null oder negativ für Stabilität bei schweren Schnitten.
• Fasenlänge: Breite Fase für hohe Belastungen.
• Schneidkantenverrundung: Reduziert Reibung und verbessert Oberflächenqualität.

Werkstücke sollten angefast werden, um scharfe Kanten zu vermeiden, die keramische Werkzeuge beschädigen könnten. Eine saubere Fase reduziert Schnittkräfte, erhöht die Werkzeugstandzeit und verbessert die Stabilität.

Gesamtstabilität beim Drehen mit keramischen Einsätzen

Die Gesamtstabilität beeinflusst die Bearbeitungsgenauigkeit, Oberflächenqualität und Lebensdauer der Werkzeuge. Um die Stabilität zu maximieren, sollten folgende Maßnahmen berücksichtigt werden:

• Stabile Werkzeugspannung: Eine präzise Spannung minimiert Vibrationen und erhöht die Bearbeitungsgenauigkeit.
• Geringer Überhang des Werkzeugs: Ein kurzer Überhang reduziert die Hebelwirkung und erhöht die Stabilität.
• Kurze, stabile Werkstückspannung: Eine kurze Ausspannlänge minimiert Biegemomente und verringert das Risiko von Verformungen.
• Vermeidung von Schwingungen: Der Einsatz von vibrationsdämpfenden Spannsystemen verbessert die Stabilität.
• Optimierung der Bearbeitungsparameter: Die Wahl geeigneter Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubraten reduziert instabile Bedingungen und steigert die Standzeit der Keramikeinsätze.

Durch die Umsetzung dieser Maßnahmen wird die Leistung keramischer Einsätze verbessert, was zu höherer Bearbeitungsqualität und längerer Werkzeugstandzeit führt.

Fasen an Eintrittspunkten

Werkstücke sollten angefast werden, um scharfe Kanten zu vermeiden, die keramische Werkzeuge beschädigen könnten. Das Anfasen verbessert den Eintrittswinkel und reduziert die Schnittkräfte, die auf den keramischen Einsatz wirken. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit von Werkzeugbrüchen verringert und die Werkzeugstandzeit sowie Stabilität während der Bearbeitung erhöht.

Fazit

Keramische Schneidstoffe bieten durch ihre Eigenschaften und die richtige Anwendung enorme Vorteile in der Zerspanung. Ihre höhere Produktivität, gepaart mit verlängerter Werkzeugstandzeit, macht sie zu einem Schlüsselwerkzeug für moderne Fertigungsprozesse. Der gezielte Einsatz von Keramik eröffnet neue Möglichkeiten zur Steigerung von Effizienz und Wettbewerbsfähigkeit.