internationales oberflächenkolloquium

XIII. Internationales Oberflächenkolloquium Chemnitz, 12.-14. März 2012

1. IMSAS-Treffen: Kanten und Radien

Dr. A. Lümkemann

Schneidkantenpräparation und Beschichtung: Schlüsselrollen beim Optimieren von Hochleistungswerkzeugen

Lümkemann, A., Büchel, C., Cselle, T., Morstein, M.

PLATIT AG, Eichholzstraße 9, CH-2545 Selzach, Schweiz [email protected]

Abstrakt: Bei der Weiterentwicklung von Präzisionswerkzeugen nehmen Hartstoffschichten sowie Schneidkantenpräparation wichtige Schlüsselrollen ein. Die gezielte Behandlung der Werkzeugschneide vor der anschließenden Beschichtung kann die Lebensdauer der Werkzeuge enorm verlängern. Neben der richtigen Wahl der geeigneten Hartstoffschicht muss die Methode zur Kantenbehandlung ebenso an die Anwendung angepasst sein.

In diesem Beitrag werden Beispiele für speziell an die Anwendung angepasste Hartstoffschichten im Zusammenspiel mit Schneidkanten-präparation für verschiedene Zerspanwerkzeuge vorgestellt.

Hinsichtlich Messung der Schneidkantenradien und Bestimmung der Symmetrie der Verrundung werden zudem Fragestellungen aus Sicht des Anwenders formuliert.

1. EINLEITUNG

Die Leistungsfähigkeit von Zerspanwerkzeugen wird im Wesentlichen durch folgende Faktoren bestimmt:

Bei der Optimierung von Werkzeugen kann jeder einzelne Punkt einen wichtigen Beitrag leisten und als Resultat einen Leistungsschub bewirken. Immer wichtiger, die an die Anwendungen angepassten Hartstoffschichten zusammen mit entsprechend zugeschnittener Schneidkantengeometrie; beides liefert Alleinstellungsmerkmale und damit einen Wettbewerbsvorteil für den Werkzeughersteller. Den Trend hin zu dieser Form der Spezialisierung



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verdeutlicht der Blick auf die Anzahl an verfügbaren Hartstoffschichten am Markt. Waren vor zwanzig Jahren nur einige wenige Universalschichten vorhanden, ist die Anzahl der Spezialschichten in der letzten Dekade quasi explodiert (siehe Abb. 1).

Abbildung 1: Anzahl verfügbarer Hartstoffschichten am Markt [Cselle 2011]

2. HARTSTOFFSCHICHTEN

2.1 Schichteigenschaften Die Anforderungen an die nur wenige Mikrometer dünnen Verschleißschutz-schichten sind sehr vom Anwendungsfall abhängig und meist recht vielfältig:

• Hohe Schichthärte und hohe Verschleißbeständigkeit • Hohe Zähigkeit und extrem gute Haftung auf dem Schneidstoff • Chemisch stabil, d.h. möglichst Reaktionen zwischen Schneidstoff

und Werkstückmaterial verhindern. • Geringer Reibwert der Hartstoffschicht um z.B. Schnittkräfte gering

zu halten und den Spanabfluss zu begünstigen Insgesamt kann man sagen, dass die Hartstoffschicht möglichst als Trennmittel zwischen Werkzeug und Werkstück fungieren und die genannten Eigenschaften bei dem jeweiligen Temperaturbereich der Anwendung aufweisen soll.

Die folgende Tabelle zeigt eine Auswahl an Schichtkomponenten und deren Einfluss auf die Eigenschaften der Hartstoffschichten. Ausgehend von TiN als Basis werden die Veränderungen der Schichteigenschaften bei Zugabe eines Elements angegeben.



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Tabelle 1: Einfluss ausgewählter Elemente auf die Schichteigenschaften

Sowohl die Wahl der Schichtelemente als auch der Schichtaufbau / die

Schichtstruktur haben Einfluss auf die Schichteigenschaften. Es können Schichteigenschaften von zwei oder drei verschiedenen Schicht-zusammensetzungen u.a. in einer Mehrlagenstruktur wie z.B. bei den so genannten TripleCoatings® kombiniert werden [Cselle 2009].

2.2 Werkzeugtests mit verschiedenen Hartstoffschichten Abbildung 2 zeigt die Ergebnisse eines Schichtvergleichs am Beispiel der Zahnradfertigung. Um den Einfluss der Beschichtung auf die Standmenge beurteilen zu können, wurden alle getesteten HSS-Wälzfräser einheitlich mittels Nassstrahlen vorbehandelt. Kantenverrundung am Zahnkopf lag im Bereich von 15µm bis 20µm.

Gegenüber der universell eingesetzten Referenzschicht AlTiN kann mit der Spezialschicht nATCRo3® – einer TripleSchicht® bestehend aus AlTiCrN und AlTiCrN/SiNx – die Lebensdauer bei dieser Anwendung verdoppelt werden.

Abbildung 2: Einfluss Beschichtung beim Wälzfräsen Material 100Cr6, 800-900 N/mm2, Werkzeug PM-HSS, m=2.5, vc = 150 m/min Entwickelt zusammen mit Fa. Liss in Rosnov, Cz



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Als weiteres Beispiel einer an die Anwendung angepassten Spezialschicht sind die Ergebnisse eines Hartfrästests in folgender Abbildung dargestellt. Es kommen auch in diesem Vergleich nur Werkzeuge mit identischer Kantenvorbehandlung zum Einsatz. Zur Vergleichbarkeit der Beschichtungen liegt der einzige Unterschied der getesteten Werkzeuge in der Art der Hartstoffschicht.

Abbildung 3: Schruppen mit Torusfräser in gehärtetem Formenbaustahl X210Cr12, 61.5 HRC, Ø=8mm, z=4, ap=0.1mm, ae=3mm, vc=100m min-1, n=4000min-1, fz=0.20mm, vf=3200 mm min-1, trocken Entwicklungsprojekt zusammen mit LMT-Fette Besonders TiXCo3®, eine extrem harte PVD-Schicht mit TiN/SiNx basierter Decklage, zeigt einen niedrigen Verschleiß bei der Bearbeitung von hochgehärtetem (61HRC), abrasivem Kaltarbeitsstahl [Morstein 2011].

Die Hartstoffschichten können ihr ganzes Potential allerdings nur dann entfalten, wenn die vor der eigentlichen Beschichtung durchgeführte Schneidkantenbehandlung ebenso an die Anwendung angepasst wurde.

3. SCHNEIDKANTENBEHANDLUNG

3.1 Mikrogeometrie Eine geschliffene scharfe Schneide weist eine Reihe von Mikrodefekten auf, welche einen negativen Einfluss auf die Standmenge des Werkzeuges haben können. Mit der Kantenpräparation wird das Ziel verfolgt, die Schneide zu stabilisieren, also die Ausfallwahrscheinlichkeit zu verringern, sowie eine höhere Lebensdauer des Werkzeuges zu erzielen. Wie in Abbildung 4 veranschaulicht wird mittels Schneidkantenbehandlung... ... die Schartigkeit der Schneide reduziert ... Schädigungen auf der Oberfläche sowie Schleifriefen eingeebnet ... eine "definierte" Mikrogeometrie (R, K-Faktor) erzeugt.



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Abbildung 4: Mikrogeometrie am Schneidkeil

Eine definierte Kantenverrundung reduziert zudem den so genannten Antenneneffekt bei PVD-Schichten. Das bedeutet, der starken Erhöhung der Schichtdicke an scharfen Schneiden wird mit der Kantenverrundung entgegengewirkt. Dadurch wird kompressive Eigenspannung in der Schicht besser verteilt und als Resultat die Schichthaftung direkt an der Schneide verbessert.

Ein universell einsetzbares Verfahren zur Kantenvorbehandlung existiert jedoch nicht. Die Wahl des geeigneten Präparationsverfahrens (Mikrostrahlen, Bürsten, Schleppschleifen, Magnetfinish, ...) richtet sich nach dem Werkzeugtyp sowie der angestrebten Schneidkantenmikrogeometrie. Die optimale Präparation der Mikrogeometrie hängt von vielen Faktoren ab, wie im folgenden Kapitel gezeigt wird.

3.2 Schneidkantenradius Der Einfluß einer definierten Kantenverrundung auf die Standmenge eines Werkzeuges wird anhand eines VHM-Torusfräsers bei der Bearbeitung von Kaltarbeitsstahl verdeutlicht. Es wurden verschiedene Kantenradien an diversen Schaftfräsern einer Sorte erzeugt und anschließend in einer Beschichtungs-charge mit einer AlCrN/SiNx Schicht (= nACRo®) versehen. Der einzige Unterschied zwischen den Schaftfräsern lag in der Höhe des Kantenradius. Abbildung 5 zeigt das Ergebnis des Werkzeugtests.

Abbildung 5: Einfluss der Kantenverrundung auf die Standmenge - VHM-Fräser d=10mm, z=4, ae=0.25 x d, ap=1.5 x d, vc=150 m/min, fz=0.05 mm/z Schicht: nACRo® - Werkstückmaterial: Kaltarbeitsstahl 1.2379



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Sehr deutlich ausgeprägt, die Zunahme der Standmenge gegenüber der unbehandelten, geschliffenen Schneide. Jedoch gibt es bei zu starker Verrundung einen Leistungsabfall. Der optimale Kantenradius in diesem Anwendungsfall liegt im Bereich von R = 18 ±3 µm.

Der ideale Bereich der Kantenverrundung ist nicht nur vom Anwendungsfall abhängig (Bohren, Fräsen, Drehen, ...) sondern zum Beispiel auch vom Werkzeugdurchmesser und dem zu bearbeitenden Werkstückmaterial, wie folgende Abbildung für das Beispiel VHM-Bohrer zeigt:

Abbildung 6: Einfluss Werkzeugdurchm. & Werkstückmaterial auf die optimale Kantenverrundung - VHM-Bohrer beschichtet mit nACo® Sackbohrungen – Kühlung: trockene Luft

4. BESTIMMUNG DER SCHNEIDKANTENGEOMETRIE

4.1 Messmethode Bei der Entwicklung von Prozessen zur Schneidkantenpräparation ist die Bestimmung des Kantenradius bzw. die Bestimmung der Symmetrie der Verrundung ein sehr wichtiges Werkzeug. Abbildung 7 zeigt die optische Abbildung einer Schneidkantengeometrie mittels GFMesstechnik und ein daraus resultierendes Profil über den Schneidkeil.

Abbildung 7: Optische Abbildung einer Schneidengeometrie



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Der Vorteil einer optischen gegenüber einer taktilen Abbildung der Schneidkantengeometrie besteht in der Vielzahl an Profilen, die mit einer einzigen optischen Messung aufgenommen werden können. Dadurch lassen sich Einzelprofile in Bereichen von Mirkrodefekten auf der Schneide aus der Messung per Software rausnehmen, und über die verbliebenen Profile kann gemittelt werden.

Bei der Übertragung eines Prozesses zur Schneidenpräparation in die Produktion sowie bei der Qualitätsüberwachung der Schneidenverrundung stellen sich zwangsläufig Fragen hinsichtlich der Kantenradiusmessung. Im folgenden Kapitel einige Fragestellungen, die hinsichtlich Eindeutigkeit bei der Angabe von Schneidkantenverrundung betrachtet werden müssen.

4.2 Erwartungen an eine Norm zur Kantenverrundung • Der Einfluss der Beschichtung auf den ermittelten Radius kann je nach Schichtdicke und Schneidkantenverrundung nicht unerheblich sein. Im Allgemeinen führt die Beschichtung tendenziell zu einer Erhöhung des Kantenradius gegenüber der unbeschichteten Schneide. Um diesen Einfluss zu umgehen sollte der Kantenradius im unbeschichteten Zustand ermittelt werden. • Die Angabe der Kantenverrundung für einen Werkzeugtyp bedingt eine genaue Angabe der Messposition am Werkzeug. Beispielsweise wird die Verrundung an Stirn- und Umfangsschneide eines Schaftfräsers sehr wahrscheinlich unterschiedlich sein. Die Angabe der Verrundung sollte sich auf den Haupteinwirkort der Schneide beziehen, z.B. für einen Bohrer auf die Stirnschneide nahe einer Ecke. • Bei unterschiedlichen Fitfunktionen kann ein unterschiedlicher Wert für den Radius ermittelt werden. Für den Idealfall K=1 ist die Situation noch relativ einfach (K-Faktorenmodell, siehe Abb. 8). Gerade beim Anfitten des Kantenradius bei K≠1, also der Wasserfall- oder Trompetenform der Schneidkante, liefert das Fitten auf die minimale Krümmung ein anderes Ergebnis als ein Anfitten auf den gesamten, im Eingriff befindlichen Bereich des Schneidkeils. Alternative Lösung für den Fall K≠1 wäre der Fit mit einer Ellipse.

Abbildung 8: K-Faktorenmodell [Holsten 2009] • Ungleich schwerer wird die Bestimmung des Kantenradius bei Formabweichungen, unabhängig davon ob der Schneidkeil taktil oder optisch abgebildet wurde. Bei sehr kleinen Radien ist die "Kreisform" der Schneide nicht unbedingt gegeben. Hilfreich bei der Messung von kleinen Radien wäre die Verfügbarkeit von Radiennormalen, auch im Radienbereich <10µm.



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• Das andere Extrem sind Abflachungen der Schneide im Falle sehr großer Radien (Abb. 9, links). Ebenso unklar ist, wie bei einer sehr rauen Schneidoberfläche (Abb. 9, mitte) der Kantenradius gefittet werden sollte. • Ausbrüche in der Schneide (Abb. 9, rechts) verfälschen die Messung der Kantenverrundung. Idealerweise würde die Messung die Ausbrüche erkennen, die Anzahl und Größe der Ausbrüche angeben und diese Mikrodefekte systematisch von der Messung ausschließen.

Abbildung 9: links: Abflachung einer Schneidkante bei starker Verrundung mitte: Fit bei sehr "rauen" Schneidoberflächen rechts: REM-Aufnahme einer WSP-Schneide mit Mikrodefekt

5. FAZIT

• Es konnte gezeigt werden, wie die Spezialisierung bei der Werkzeugoptimierung hinsichtlich Hartstoffschicht und Schneidkanten-präparation einen Leistungsschub bewirken kann.

• Die optimale Schneidkantenverrundung ist je nach Anwendungsfall nicht nur vom Werkzeugtyp sondern auch z.B. vom Werkzeugdurchmesser und Werkstückmaterial abhängig.

• Bezüglich Messung der Schneidkantenradien wurden Fragestellungen betrachtet um bei Angaben der Kantenverrundung eindeutige Aussagen treffen zu können.

6. QUELLEN

[Cselle 2009] Cselle, T.; Morstein, M.; Lümkemann, A.: "Der Anwendung angepasst"; In: Werkstatt und Betrieb; Hanser Verlag, München 2009

[Cselle 2011] Cselle, T.: "Anpassung - Integration - Offenheit - Neue Regeln in der Beschichtungsindustrie "; In: Werkzeug Technik, Nr. 188; Februar 2011; ISSN Nr. 0997 - 6981

[Holsten 2009] Holsten, S.: "Mikroprozesse an der Schneidkante"; In: Schneidkantenpräparation: Ziele, Verfahren und Messmethoden, S. 12-33; Kassel 2009; ISBN 978-3-89958-494-3

[Morstein 2011] Morstein, M.: "Hochleistungszerspanung mit Nanokomposit-beschichteten Werkzeugen"; Präsentiert am OTTI-Fachforum: Neue Werkstoffe wirtschaftlich zerspanen; Regensburg 2011

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