Schlüsselrollen beim Optimieren von ... - PLATIT

XIII. Internationales Oberflächenkolloquium Chemnitz, 12.-14. März 2012
Dr. A. Lümkemann
1. IMSAS-Treffen: Kanten und Radien
Schneidkantenpräparation und Beschichtung:
Schlüsselrollen beim Optimieren
von Hochleistungswerkzeugen
Lümkemann, A., Büchel, C., Cselle, T., Morstein, M.
PLATIT AG, Eichholzstraße 9, CH-2545 Selzach, Schweiz
a.luemkemann@platit.com
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 Schneidkantenpräparation
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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Dr. A. Lümkemann
1. IMSAS-Treffen: Kanten und Radien
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 Verschleißschutzschichten
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 Schichtzusammensetzungen
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 nATCRo 3® – 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/mm 2 , 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 TiXCo 3® , 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 Beschichtungscharge
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

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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 Schneidkantenpräparation
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 Nanokompositbeschichteten
Werkzeugen"; Präsentiert am OTTI-Fachforum: Neue
Werkstoffe wirtschaftlich zerspanen; Regensburg 2011