Materialien für Werkzeugschneiden werden hinsichtlich Härte, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit für unterschiedliche Anwendungen bewertet.
Werkzeugschneiden sind entscheidende Komponenten in der Fertigungstechnik. Sie müssen hohen Anforderungen an Härte und Festigkeit genügen, um den vielfältigen Belastungen beim Zerspanen standzuhalten. Die Wahl des richtigen Materials beeinflusst nicht nur die Effizienz des Fertigungsprozesses, sondern auch die Qualität des Endprodukts.
Schneidwerkzeuge sind häufig extremen Bedingungen ausgesetzt. Hohe Temperaturen und große Drücke wirken auf die Schneiden während des Zerspanungsprozesses. Hierbei ist die Härte eines Werkstoffs von zentraler Bedeutung. Materialien mit hoher Härte bieten Widerstand gegen Abrieb und Verschleiß. Dies führt dazu, dass harte Schneiden länger scharf bleiben, aber unter Umständen leichter brechen.
Die Auswahl eines geeigneten Materials für Werkzeugschneiden erfordert das Abwägen zwischen Härte und Zähigkeit. Ein zähes Material kann Belastungsspitzen besser verkraften als ein hartes Material, welches schneller bricht. Daher ist es oft vorteilhaft, einen großen Innenbereich aus zähem, festem Werkstoff mit einer sehr harten Oberflächenschicht zu versehen. Diese Kombination bietet den Vorteil einer hohen Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung, Anrisse können sich wesentlich schlechter bilden und die eigentlichen Lasten werden im Innenbereich aufgenommen.
Eine Vielzahl von Materialien wird für die Herstellung von Werkzeugschneiden verwendet:
- Hartmetalle: Diese bestehen meist aus einer Kombination von Wolframkarbid und Kobalt. Hartmetalle zeichnen sich durch hohe Härte und Verschleißfestigkeit aus.
- Hochlegierte Stähle: Diese enthalten Elemente wie Wolfram, Chrom, Vanadium und Molybdän und bieten eine gute Kombination aus Härte und Zähigkeit.
- Keramiken: Materialien wie Aluminiumoxid, Titancarbid und Siliziumnitrid werden gesintert. Diese Materialien haben eine sehr hohe Härte und sind besonders geeignet für die Bearbeitung von Gusseisen, hitzebeständigen Legierungen, gehärtetem Stahl und Werkzeugstahl. Allerdings neigen sie zur Sprödigkeit.
Der Einsatz von Diamanten als Schneidmaterial ist ebenfalls bekannt. Geformter Diamant-Einkristall ist das härteste Material und wird vor allem in der Bearbeitung von Nichteisenmetallen eingesetzt. Zudem wird polykristalliner Körper, der durch Zugabe von Kobalt zu feinem Diamantpulver und durch Sintern hergestellt wird, für Nichteisenmetalle, Hartmetall und Keramik verwendet.
Die Bestimmung der Härte ist ein wesentlicher Schritt bei der Charakterisierung von Werkzeugmaterialien. Es existieren verschiedene Prüfverfahren zur Ermittlung der Härte, unter anderem das Brinell-, Vickers-, und Rockwell-Verfahren.
Das Brinell-Verfahren, entwickelt von Johan August Brinell im Jahre 1900, wird häufig zur Prüfung weicher bis mittelharter Metalle eingesetzt. Hierbei wird eine Hartmetallkugel mit einer definierten Prüfkraft in das Werkstück gedrückt.
Das Vickers-Verfahren verwendet eine Pyramide aus Diamant als Eindringkörper. Die Vickershärte ermöglicht eine präzise Messung und ist somit auch bei sehr harten Materialien anwendbar.
Das Rockwell-Verfahren hingegen zeichnet sich durch seine Schnelligkeit aus; es misst die Differenz der Eindringtiefen vor und nach Auflegen der Hauptlast. Dieses Verfahren teilt sich in unterschiedliche Skalen auf: HRA, HRB oder HRC sind gängige Bezeichnungen für verschiedene Prüfbedingungen.
Die Einheit der Rockwell-Härte ergibt sich aus der Eindringtiefe eines Prüfkörpers unter definierter Vor- und Prüfkraft. Bei der Verwendung eines kegelförmigen Diamantprüfkörpers mit einem Spitzenwinkel von \(120^\circ\) und einem Radius von 0,2 mm (Skala C) erfolgt die Prüfung in der Regel bei sehr harten Werkstoffen.
Im Kontext der Werkzeugschneiden ist auch der Zerspanungsprozess selbst relevant. Dieser Prozess umfasst alle Verfahren zur Abtrennung überschüssigen Materials vom Werkstück in Form von Spänen. Zu den gängigen Verfahren gehören:
- Drehen: Hierbei werden im Allgemeinen zylindrische oder scheibenförmige Werkstücke durch Drehen in runde Formen gebracht.
- Fräsen: Bei diesem Verfahren wird Material durch rotierende Fräswerkzeuge abgetragen. Fräsmaschinen werden zum Schaben von Oberflächen und zur Herstellung von Nuten eingesetzt.
Die Schnittgeschwindigkeit spielt hierbei eine entscheidende Rolle: Sie bezieht sich auf die Distanz, die ein Werkzeug pro Minute schneidet (m/min). Höhere Schnittgeschwindigkeiten erhöhen zwar die Produktivität, können jedoch auch zu einem schnelleren Verschleiß des Werkzeugs führen.
Ebenso wichtig ist die Vorschubgeschwindigkeit (mm/U), welche angibt, wie weit das Werkzeug pro Umdrehung zurücklegt. Eine höhere Vorschubgeschwindigkeit steigert ebenfalls die Produktivität, erhöht aber gleichzeitig die Rauheit der Schnittfläche.
Die Schnitttiefe definiert den Abstand, den das Werkzeug in das Werkstück einschneidet; größere Schnitttiefen fördern ebenfalls eine höhere Produktivität bis hin zur optimalen Tiefe abhängig vom Materialtyp und -eigenschaften.
Die Fortschritte in der Materialwissenschaft haben zur Entwicklung neuartiger Schneidstoffe geführt, darunter Polykristalliner Diamant (PCD) oder kubisches Bornitrid (CBN). Diese Materialien kombinieren extreme Härte mit spezifischen Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit oder chemische Stabilität.
Zukünftige Entwicklungen könnten darauf abzielen, hybride Materialien zu entwickeln, welche die Vorteile verschiedener Stoffe vereinen – etwa zähe Keramiken kombiniert mit harten Metalllegierungen – um so noch leistungsfähigere Werkzeugschneiden zu schaffen.
Die fortlaufende Forschung im Bereich der beschichteten Schneidwerkzeuge zeigt ebenfalls vielversprechende Ergebnisse: Durch dünne Schichten hochfester Materialien lässt sich sowohl die Lebensdauer als auch die Leistungsfähigkeit verbessern.
Die Wahl des richtigen Materials für Werkzeugschneiden ist komplex und hängt stark von den spezifischen Anforderungen des jeweiligen Fertigungsprozesses ab. Die Balance zwischen Härte und Zähigkeit erfordert ein tiefes Verständnis der verwendeten Materialien sowie deren Verhaltensweisen unter verschiedenen Bedingungen. Zukünftige Fortschritte in den Bereichen Materialwissenschaften und Fertigungstechnologien werden weiterhin entscheidend sein für die Innovationskraft in der Werkzeugindustrie.
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