PKD-Werkzeuge richtig einsetzen

Auswirkungen der Faktoren Maschine, Werkzeug, Prozess und Bauteil

Werkzeuge aus hochharten Diamanten stellen alle anderen Schneidstoffe in den Schatten. Doch wer in diese hochwertigen Werkzeuge investiert, sollte sie auch richtig einsetzen!

Ein Beitrag der Firma Gühring

In Sachen Verschleissfestigkeit und Prozesssicherheit stellen Werkzeuge aus hochharten Diamanten alle anderen Schneidstoffe in den Schatten. Doch wenn Firmen schon in hochwertige PKD-Werkzeuge investieren, sollten sie auch alle Parameter kennen, die den Input und Output im Produktionsalltag bestimmen. Erst durch das perfekte Zusammenspiel all dieser Einflussgrössen steigern Anwender die Produktivität – und heben die Fertigung auf ein ganz neues Level.

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Was bedeutet Produktivität?

Produktivität beschreibt das Verhältnis von Input zu Output. Bleibt der Input gleich und der Output steigt, erhöht sich die Produktivität. Den gleichen Effekt erzielen Anwender, indem sie es schaffen, den Input zu reduzieren, während der Output gleich bleibt. Produktivität umfasst verschiedene Einflussfaktoren:

Einflussfaktor Maschine

Ein grosser Einflussfaktor auf die Produktivität ist die Maschine. So ist zum Beispiel die Auslegung Ihrer PKD-Werkzeuge primär abhängig von dem Leistungsdiagramm der Maschinenspindel. Danach richtet sich etwa die Anzahl der Werkzeuge und deren Schneidenanzahl.

Einflussfaktor Vorrichtung 

Auch die Vorrichtung ist für die Produktivität elementar und muss schon bei der Werkzeugauslegung miteinbezogen werden. Je nachdem, ob es sich um eine sehr labile oder stabile Vorrichtung handelt, werden Schneiden- und Werkzeuggeometrien angepasst.

Vor allem bei der Bearbeitung von Faserverbundwerkstoffen kommt oft eine Vakuumspannung zum Einsatz, die sehr labil ist. Die Aufgabe bei der Werkzeugauslegung ist hier, den Kräftefluss weg vom Werkzeug, hin zum Bauteil und der Vorrichtung zu lenken. Dafür wird das Segment auf der gegenüberliegenden Seite mit einer negativen Schneidenordnung versehen.

Auch bei grossen Strukturbauteilen wie einer Batteriewanne ist die Aufspannung labil, da Bearbeitungspunkt und Aufspannung weit auseinanderliegen. Hier bringt zum Beispiel Gühring bei seinen Werkzeugen einen sogenannten «aufhebenden Schnitt» bzw. eine Kreuzverzahnung an. Bei einem zweischneidigen Fräser gibt es daher zum Beispiel auf der einen Seite eine positive, auf der anderen Seite eine negative Schneidenanordnung. Das reduziert die Schneidkräfte, die auf Bauteil, Vorrichtung und Spindel wirken.

Einflussfaktor Prozess

Kühlung

Hinsichtlich der Kühlung kann entweder mit Nassbearbeitung oder Minimalmengenschmierung (MMS) gearbeitet werden, was sich unterschiedlich auf die Produktivität auswirkt. Für die Nassbearbeitung empfiehlt die Firma Gühring für PKD-Werkzeuge einen Ölgehalt in der Emulsion zwischen 7 und 9 Prozent. Für Führungsleistenwerkzeuge sollte der Ölgehalt bei mindestens 9 Prozent oder höher liegen, um die Schmierung der Führungsleisten zu gewährleisten und gute Oberflächen zu erzielen.

Der Einsatz der MMS hängt von dem zu bearbeitenden Bauteil ab: Eine Einkanalkühlung empfiehlt sich bei fräslastigen Bauteilen, an denen keine Fertigbearbeitung oder Reibbearbeitung mit engen Form- und Lagetoleranzen vorgenommen wird. Bei engen Toleranzen wird die MMS 2-Kanallösung empfohlen, da man hier den Ölgehalt variieren und bei Feinbearbeitung beispielsweise auch erhöhen kann. Erfahrungsgemäss ist bei dünnwandigen Bauteilen wie Elektromotor- oder Getriebegehäusen, eine Nassbearbeitung vorzuziehen. Aufgrund der Wärme, die bei der Bearbeitung auf das dünnwandige Bauteil gebracht wird, muss ausreichend temperiert werden. Die MMS-Kühlung kann dies nicht leisten und dadurch werden Form- und Lagetoleranzen nicht eingehalten.

Schnittparameter

Mit welchen Schnittparametern werden die PKD-Werkzeuge eingesetzt? Hier greift Gühring auf die eigene Erfahrung zurück und empfiehlt für Bohr- und Reibwerkzeuge einen Vorschub pro Umdrehung von 2 bis 6 Prozent des Werkzeugdurchmessers. Der empfohlene Vorschub pro Zahn liegt bei Fräswerkzeugen zwischen 0,05 und 0,25 mm. Die Schnittparameter sind jedoch meistens nicht durch das PKD-Werkzeug begrenzt, sondern durch die Maschinenspindel, die Vorrichtung oder das dünnwandige Bauteil. 

Einflussfaktor Bauteil

Die Produktivität entscheidet sich schon bei der Auswahl ihrer PKD-Werkzeuge – und die ist von dem Bauteil abhängig, das Anwender bearbeiten wollen. Hier spielen vor allem die geforderten Form- und Lagetoleranzen eine Rolle. Grundsätzlich sind Toleranzen am besten mit einem einschneidigen Werkzeug erreichbar, das über fünf Führungsleisten verfügt. Am produktivsten ist man jedoch mit einem sechsschneidigen Werkzeug.

Deshalb arbeitet Gühring zum Beispiel bei Feinbearbeitungen, wenn es die Form- und Lagetoleranzen zulassen, mehrschneidig. Dadurch lässt sich die Hauptzeit bei der Bearbeitung deutlich senken. Jedoch gibt es auch hier Ausnahmen: Bei dünnwandigen Bauteilen rät Gühring zu einem einschneidigen oder höchstens zweischneidigen Konzept, um die Belastung und Krafteinwirkung auf das Bauteil so minimal wie möglich zu gestalten.

Einflussfaktor Werkzeug

Es ist wichtig, das Werkzeug so steif wie möglich auszulegen. Dabei spielt die Werkzeugspannung eine wichtige Rolle. Generell können Anwender bei Bohr-, Fräs- und Reiboperationen (mindestens IT8) ein Schrumpffutter zur Spannung verwenden, bei Reiboperationen auch das Hydrodehnfutter. Bei sehr langauskragenden Reibwerkzeugen wird empfohlen, wenn jemand einstufig arbeitet, das einstellbare Schrumpffutter und bei mehrstufigen Reibwerkzeugen den Moduladapter 4×4 oder 6×6.

Für Werkzeuge, die ab der Plananlage länger als 160 mm sind, kann man jedoch auch ein Sonderschrumpffutter speziell für den Anwendungsfall auslegen. Dieses wird an die Störkontur am Bauteil und die Vorrichtung angepasst und führt zu wesentlich besseren Ergebnissen. Es können deutlich höhere Schnittparameter gefahren werden, weil das ganze System steifigkeitsoptimiert ist. Speziell für die Fräsbearbeitung empfiehlt Gühring dieses Sonderfutter, weil man hier sehr hohe Radialkräfte hat.