Selbstschmierende Wolframkarbid-Wendeschneidplatten für kontinuierliche Trockenbearbeitungsprozesse

Inhaltsverzeichnis

●Einführung

●Die Wissenschaft der selbstschmierenden Wolframkarbid-Wendeschneidplatten

●Anwendungen in der Praxis

●Kostenaufschlüsselung

●Schritte für den Einstieg

●Herausforderungen und Lösungsansätze

●Abschluss

●Fragen und Antworten

●Referenzen

 

Einführung

Fertigungsingenieure suchen ständig nach Möglichkeiten, Bearbeitungsprozesse schneller, kostengünstiger und umweltfreundlicher zu gestalten. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie und die Medizintechnik sind stark auf die spanende Bearbeitung angewiesen, um hochfeste Werkstoffe zu präzisen Bauteilen zu formen. Traditionell werden Kühlschmierstoffe eingesetzt, um Werkzeuge zu kühlen, die Reibung zu reduzieren und die Werkzeugstandzeit zu verlängern. Diese Kühlschmierstoffe bringen jedoch Nachteile mit sich – Umweltbelastung, Gesundheitsrisiken für die Mitarbeiter und aufwändige Entsorgung. Hier kommen selbstschmierende Hartmetall-Wendeschneidplatten ins Spiel. Sie ermöglichen die Bearbeitung von harten Werkstoffen ohne die Nachteile von Kühlschmierstoffen. Diese Werkzeuge verfügen über integrierte Schmierstoffe wie Calciumfluorid oder Molybdändisulfid, die eine kontinuierliche Trockenbearbeitung ermöglichen und gleichzeitig Verschleiß und Wärmeentwicklung minimieren. Dieser Artikel erläutert die Funktionsweise dieser Wendeschneidplatten, ihre praktischen Anwendungen in Bereichen wie medizinischen Implantaten, Triebwerksteilen und Automobilmotorenkomponenten sowie deren Einsatzmöglichkeiten für Ingenieure. Wir behandeln die wissenschaftlichen Grundlagen, praktische Beispiele, Kosten und geben Schritt-für-Schritt-Tipps, um Betrieben den Umstieg zu erleichtern.

Die Trockenbearbeitung – das Schneiden ohne Kühlschmierstoffe – gewinnt zunehmend an Bedeutung, da Unternehmen unter Druck stehen, Abfall zu reduzieren und Umweltauflagen zu erfüllen. Sie macht Flüssigkeitstanks, Pumpen und Entsorgungssysteme überflüssig, was erhebliche Kosteneinsparungen und weniger Aufwand bedeutet. Ohne Kühlschmierstoffe sind die Werkzeuge jedoch starker Hitze und Reibung ausgesetzt, insbesondere beim Schneiden von Materialien wie Titan oder gehärtetem Stahl. Selbstschmierende Wendeschneidplatten begegnen diesem Problem, indem sie Schmierstoffe direkt an der Kontaktstelle zwischen Werkzeug und Werkstück freisetzen. Dadurch wird der Verschleiß minimiert und die Temperatur gesenkt. Anhand aktueller Studien untersuchen wir die Leistungsfähigkeit dieser Wendeschneidplatten, präsentieren Beispiele aus der Praxis und geben praktische Tipps zu Kosten und Einrichtung, damit Ingenieure optimale Ergebnisse erzielen.

Die Wissenschaft der selbstschmierenden Wolframkarbid-Wendeschneidplatten

Wolframcarbid, oft mit etwas Kobalt legiert, ist aufgrund seiner extremen Härte und hohen Temperaturbeständigkeit das bevorzugte Material für Schneidwerkzeuge. Selbstschmierende Wendeschneidplatten setzen noch einen drauf, indem sie Festschmierstoffe wie Calciumfluorid (CaF₂), Molybdändisulfid (MoS₂) oder sogar Graphen beifügen. Diese Schmierstoffe bilden während der Bearbeitung eine Gleitschicht, die Reibung und Wärmeentwicklung reduziert, ohne dass Flüssigkeit benötigt wird.

So funktioniert es: Beim Schneiden verschmiert das Schmiermittel durch Hitze und Druck an der Kontaktstelle und bildet einen dünnen, gleitfähigen Film. CaF₂ beispielsweise bleibt selbst bei extrem hohen Temperaturen – bis zu 1000 °C – stabil und eignet sich daher hervorragend für anspruchsvolle Bearbeitungen. MoS₂ gleitet dank seiner Schichtstruktur auch unter trockenen Bedingungen mühelos, während Graphen für erstklassige Wärmeableitung und hohe Zähigkeit sorgt. Diese Eigenschaften ermöglichen optimale Ergebnisse bei der Trockenbearbeitung, wo herkömmliche Werkzeuge durch Hitze und Belastung schnell verschleißen würden.

Wie sie hergestellt werden

Die Herstellung dieser Wendeschneidplatten erfolgt üblicherweise mittels Pulvermetallurgie – Wolframcarbid-, Kobalt- und Schmierstoffpulver werden vermischt, in Form gepresst und bei hohen Temperaturen ausgehärtet, um ein festes Werkzeug zu erhalten. Alternativ können Standard-Wendeschneidplatten mit Schmierstoffen beschichtet werden, beispielsweise durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) oder physikalische Gasphasenabscheidung (PVD). Die Pulvermetallurgie sorgt für eine gleichmäßige Verteilung des Schmierstoffs im gesamten Werkzeug, was sich besonders für anspruchsvolle Aufgaben eignet, während Beschichtungen für präzise oder komplexe Formen besser geeignet sind.

Aktuelle Studien belegen vielversprechende Fortschritte. Eine Untersuchung zeigte, dass die Zugabe von 5 % CaF₂ zu Hartmetall-Wendeschneidplatten deren Festigkeit und Verschleißfestigkeit beim Schneiden von AISI 1020-Stahl ohne Kühlschmierstoffe erhöhte. Eine andere Studie untersuchte texturierte Wendeschneidplatten mit Graphen, wodurch die Schnitttemperaturen beim Bearbeiten von Inconel 713C um über 20 % und die Schnittkräfte um fast 40 % gesenkt werden konnten. Diese Ergebnisse verdeutlichen, wie selbstschmierende Wendeschneidplatten die Trockenbearbeitung revolutionieren können.

Anwendungen in der Praxis

Diese Einsätze erobern Branchen, die Präzision und Langlebigkeit erfordern. Betrachten wir drei Beispiele: medizinische Implantate, Turbinenschaufeln für die Luft- und Raumfahrt sowie Motorenteile für die Automobilindustrie.

Medizinische Implantate

Die Bearbeitung von Titanlegierungen wie Ti-6Al-4V für Hüft- oder Knieimplantate ist anspruchsvoll. Das Material ist zwar fest, leitet Wärme aber schlecht und erfordert eine extrem saubere Oberfläche, um Verunreinigungen zu vermeiden. Trockenbearbeitung ist ideal, um Flüssigkeitsrückstände zu vermeiden, beansprucht die Werkzeuge jedoch stark. Selbstschmierende Wendeschneidplatten mit MoS₂- oder Graphenbeschichtung sind hier von unschätzbarem Wert. Ein Medizintechnikunternehmen, das Femurkomponenten fertigt, konnte die Werkzeugstandzeit durch den Einsatz von CaF₂-dotierten Wendeschneidplatten um 30 % steigern. Das Schmiermittel reduzierte die Reibung, senkte die Temperaturen und sorgte für eine glattere Oberfläche – ein entscheidender Faktor für Implantate, die perfekt im Körper sitzen müssen.

TippFür Implantate empfiehlt sich die Verwendung von Wendeschneidplatten mit 5–10 % CaF₂ und eine Schnittgeschwindigkeit zwischen 80 und 120 m/min, um ein optimales Verhältnis zwischen Werkzeugstandzeit und Oberflächenqualität zu erzielen. Die Werkzeuge sollten regelmäßig mikroskopisch geprüft werden, um Verschleiß frühzeitig zu erkennen, da selbst kleinste Defekte die Implantattoleranzen beeinträchtigen können.

Turbinenschaufeln für die Luft- und Raumfahrt

Turbinenschaufeln in Strahltriebwerken, die häufig aus Nickelbasis-Superlegierungen wie Inconel 718 gefertigt werden, sind aufgrund ihrer Härte und der Tendenz zur weiteren Aushärtung beim Zerspanen schwer zu bearbeiten. Die Trockenbearbeitung ohne Werkzeugverschleiß stellt eine Herausforderung dar. Wendeschneidplatten mit strukturierter Oberfläche und Graphen-Schmierstoffe haben sich als sehr effektiv erwiesen. In einem Fall reduzierte die Bearbeitung von Inconel-718-Schaufeln mit graphenbeschichteten Wendeschneidplatten den Werkzeugverschleiß um geringe, aber entscheidende 2,3 % und verbesserte die Oberflächenglätte um über 20 %. Dies führte zu robusteren Schaufeln mit längerer Lebensdauer im Triebwerk.

TippVerwenden Sie PVD-beschichtete Wendeschneidplatten für Turbinenschaufeln, um eine gleichmäßige Schmierung auch bei komplexen Formen zu gewährleisten. Halten Sie sich an Schnittgeschwindigkeiten von 100–150 m/min und niedrige Vorschübe (0,1 mm/U), um Überhitzung zu vermeiden. Untersuchen Sie die Bearbeitung nachträglich mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM), um Verschleißmuster frühzeitig zu erkennen.

Automobilmotorkomponenten

Für Motorenteile wie Kurbelwellen oder Nockenwellen aus gehärteten Stählen wie AISI 4340 benötigen Werkstätten langlebige und kostengünstige Werkzeuge. Selbstschmierende Wendeschneidplatten mit CaF₂ oder MoS₂ tragen dazu bei, den Verschleiß zu reduzieren und die Spänehandhabung unter trockenen Bedingungen zu erleichtern. Ein Automobilwerk, das WC-10Co-5CaF₂-Wendeschneidplatten einsetzt, konnte die Werkzeugstandzeit um 25 % steigern.DrehungAISI 1020-Stahl, für glattere Späne und weniger Ausfallzeiten durch Werkzeugwechsel.

TippWählen Sie Wendeschneidplatten mit 10–12 % Kobalt für hohe Zähigkeit und CaF₂ für gute Gleiteigenschaften. Halten Sie die Schnittparameter konstant – z. B. 100 m/min Schnittgeschwindigkeit und 0,5 mm Schnitttiefe – um gleichbleibende Ergebnisse zu erzielen. Achten Sie auf die Spanbildung, um raue Oberflächen zu vermeiden, die die Teilequalität beeinträchtigen können.

Kostenaufschlüsselung

Die Umstellung auf selbstschmierende Einsätze ist zwar in der Anschaffung teurer, rechnet sich aber langfristig. Hier die Details:

• WerkzeugkostenDiese Einsätze sind 20–30 % teurer als Standardeinsätze. Ein WC-10Co-5CaF2-Einsatz kostet beispielsweise 15–20 US-Dollar, im Vergleich zu 10–12 US-Dollar für einen herkömmlichen Einsatz.
• AusrüstungDie Trockenbearbeitung benötigt keine Kühlsysteme, daher sind die Einrichtungskosten gering. Die Umrüstung auf präzise CNC-Maschinen für optimale Ergebnisse kann jedoch 50.000 bis 100.000 US-Dollar kosten.
• WerkzeuglebensdauerersparnisDiese Einsätze halten 20–50 % länger, wodurch sich die Anzahl der Austausche verringert. Ein Medizintechnikunternehmen sparte 10.000 US-Dollar pro Jahr, indem es die Anzahl der Werkzeugwechsel von 10 auf 6 pro Monat reduzierte.
• UmwelteinsparungenDurch den Verzicht auf Flüssigkeiten lassen sich je nach Größe des Geschäfts jährlich 5.000 bis 20.000 US-Dollar an Kosten für Kauf, Lagerung und Entsorgung einsparen.

In einem Betrieb der Luft- und Raumfahrtindustrie, der Inconel 718 bearbeitet, senkten graphenbeschichtete Wendeschneidplatten die Gesamtkosten dank längerer Werkzeugstandzeit und geringerem Energieverbrauch um 15 %. Ein Automobilwerk sparte mit CaF₂-Wendeschneidplatten 10 % der Produktionskosten und amortisierte die höheren Werkzeugkosten innerhalb von sechs Monaten.

TippFühren Sie eine Kosten-Nutzen-Analyse durch und berücksichtigen Sie dabei Werkzeugstandzeit, Produktionsvolumen und Einsparungen bei Kühlschmierstoffen. Testen Sie die Einsätze zunächst in kleinem Maßstab, um die Einsparungen zu bestätigen, bevor Sie eine vollständige Einführung vornehmen.

Schritte für den Einstieg

So führen Sie selbstschmierende Einsätze in Ihrer Werkstatt ein:

1. Wählen Sie den richtigen EinsatzWählen Sie den Einsatz passend zu Ihrem Material. Verwenden Sie MoS₂ oder Graphen für Titan, CaF₂ für Stähle. Sprechen Sie mit Lieferanten über kundenspezifische Mischungen.
2. Maschinen einrichten: CNC-Maschinen für die Trockenbearbeitung kalibrieren. Anstreben von Geschwindigkeiten von 100–150 m/min, Vorschüben von 0,1–0,2 mm/U und Schnitttiefen von 0,5–1 mm.
3. Tools installierenDie Einsätze müssen fest in den Halterungen sitzen, um Vibrationen zu vermeiden. Verwenden Sie einen Drehmomentschlüssel, um ein Brechen durch zu festes Anziehen zu verhindern.
4. Tests ausführenBeginnen Sie mit kleinen Chargen, um die Einstellungen zu optimieren. Überprüfen Sie Werkzeugverschleiß, Oberflächengüte und Spanform mithilfe von Geräten wie REM oder Profilometern.
5. Live-Überwachung: Verwenden Sie Sensoren, um Schnittkräfte und Temperaturen während des Betriebs zu überwachen. Passen Sie die Einstellungen an, wenn es zu heiß wird oder sich Spikes abnutzen.
6. Regelmäßig überprüfenPrüfen Sie die Einsätze mit optischen Mikroskopen auf Verschleiß. Tauschen Sie sie aus, sobald der Flankenverschleiß 0,3 mm erreicht, um eine hohe Qualität zu gewährleisten.
7. VergrößernSobald die Tests erfolgreich verlaufen sind, kann die Serienproduktion aufgenommen werden. Schulen Sie Ihr Team in der Trockenbearbeitung, um einen reibungslosen Ablauf zu gewährleisten.

TippTesten Sie zunächst an einer Maschine und erfassen Sie Kennzahlen wie Werkzeugstandzeit und Oberflächengüte. Nutzen Sie die Daten zur Feinabstimmung, bevor Sie den Prozess auf weitere Maschinen ausweiten.

Herausforderungen und Lösungsansätze

Selbstschmierende Wendeschneidplatten sind nicht perfekt. Die höheren Anschaffungskosten können zwar abschreckend wirken, die Einsparungen bei Werkzeugstandzeit und Schmierstoffkosten gleichen dies aber in der Regel aus. Ein weiteres Problem ist die richtige Schmierstoffmenge: Zu viel Schmierstoff schwächt das Werkzeug, zu wenig schmiert nicht ausreichend. Studien legen nahe, dass 5–10 % Schmierstoff optimal sind. Hochtemperaturbearbeitungen, wie das Schneiden von Inconel, können manche Schmierstoffe zersetzen. Die Verwendung hitzebeständiger Schmierstoffe wie CaF₂ oder das Mischen von Schmierstoffen (z. B. MoS₂ und Graphen) kann Abhilfe schaffen.

TippArbeiten Sie mit Materialexperten zusammen, um Schmierstoffmischungen optimal auf Ihre Anforderungen abzustimmen. Schulen Sie Ihre Bediener regelmäßig im richtigen Umgang mit den Einsätzen, damit diese ihre maximale Leistung erbringen.

Abschluss

Selbstschmierende Hartmetall-Wendeschneidplatten revolutionieren die Trockenbearbeitung. Durch die Einbettung von Schmierstoffen wie CaF₂, MoS₂ oder Graphen reduzieren sie die Reibung, verlängern die Werkzeugstandzeit und sorgen für bessere Oberflächen in Branchen wie der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie. Von Titanimplantaten über Triebwerkschaufeln bis hin zu Kurbelwellen – diese Werkzeuge beweisen ihre Leistungsfähigkeit in anspruchsvollen Anwendungen. Die Anschaffungskosten sind zwar höher, doch die Einsparungen durch längere Werkzeugstandzeit, weniger Ausfallzeiten und den Verzicht auf Schmierstoffe machen sie zu einer lohnenden Investition. Mit einem klaren Plan – der Auswahl der richtigen Wendeschneidplatte, der korrekten Maschineneinrichtung und sorgfältigen Tests – können Betriebe Herausforderungen meistern und echte Vorteile erzielen. Da die Fertigung zunehmend auf umweltfreundlichere und präzisere Methoden setzt, werden diese Wendeschneidplatten in modernen Betrieben zum Standard gehören.

Fragen und Antworten

Frage 1: Was unterscheidet selbstschmierende Hartmetall-Wendeschneidplatten von herkömmlichen Wendeschneidplatten?
A1: Sie verfügen über eingebaute Festschmierstoffe wie CaF2 oder MoS2, die Reibung und Verschleiß bei der Trockenbearbeitung reduzieren, wodurch die Notwendigkeit von flüssigen Kühlmitteln entfällt.

Frage 2: Können diese Einsätze jedes Material verarbeiten?
A2: Sie eignen sich hervorragend für harte Werkstoffe wie Titan, Nickellegierungen und gehärtete Stähle. Wählen Sie das Schmiermittel entsprechend dem Material, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Frage 3: Wie kann ich die zusätzlichen Kosten rechtfertigen?
A3: Achten Sie auf die verlängerte Werkzeugstandzeit (20–50 %), weniger Ausfallzeiten und Einsparungen bei den Flüssigkeitskosten. Tests im kleinen Rahmen können zeigen, ob sich die Investition für Ihren Betrieb lohnt.

Frage 4: Was kann bei diesen Einsätzen schiefgehen?
A4: Absplitterungen oder Verschleiß können auftreten, insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten. Optimieren Sie die Geschwindigkeiten (100–150 m/min) und verwenden Sie hitzebeständige Schmierstoffe wie CaF₂, um die Risiken zu minimieren.

Frage 5: Wie kann ich die Leistung bei der Trockenbearbeitung überwachen?
A5: Sensoren zur Erfassung von Kraft- und Temperaturdaten in Echtzeit verwenden. Werkzeuge nach der Bearbeitung mit Mikroskopen oder REM untersuchen, um Verschleiß zu erkennen und Einstellungen anzupassen.

Referenzen

• Leistungsbewertung eines selbstschmierenden Schneidwerkzeugmaterials auf Wolframkarbidbasis
  Muthuraja, P., Senthilvelan, T.
  Zeitschrift für Fertigungstechnik, 2016
  Wichtigste Ergebnisse: WC-10Co-5CaF₂-Einsätze zeigten im Vergleich zu Standard-WC-10Co eine verbesserte Reibungs- und Verschleißfestigkeit.
  Methodik: Pulvermetallurgische Fertigungs- und Schneidversuche.
  Zitat: Muthuraja und Senthilvelan, 2016, S. 1375–1394
  https://www.semanticscholar.org/paper/Performance-evaluation-of-a-tungsten-carbide%E2%80%93based-Muthuraja-Senthilvelan/655246ce2f57b1e9e607c7343820b6ff30c65388

• Nachhaltige Trockenbearbeitung von Edelstahl mit mikrowellenbehandelten Hartmetall-Schneidwerkzeugen
  Babe, IB, Gupta, K., Chaubey, SK
  Mikromaschinen, 2023
  Wichtigste Erkenntnisse: Die Mikrowellenbehandlung verbesserte die Härte und das Mikrogefüge, reduzierte den Werkzeugverschleiß und verbesserte die Oberflächengüte beim Trockendrehen von SS 316.
  Methodik: Taguchi L9 orthogonales Array-Design, Mehrleistungsoptimierung, SEM-Analyse.
  Zitat: Babe et al., 2023, S. 1148
  https://doi.org/10.3390/mi14061148

• Optimierung der Bearbeitungsleistung von CNC-Werkzeugeinsätzen mit diamantähnlicher Kohlenstoffbeschichtung unter Trockenbearbeitungsbedingungen
  Rana, R., Krishnia, L., Murtaza, Q., Walia, RS
  Zeitschrift für Ingenieurforschung, 2021
  Wichtigste Erkenntnisse: DLC-Beschichtungen erhöhten die Härte um 53 %, verbesserten die Verschleißfestigkeit und die Oberflächengüte bei Trockenbearbeitung.
  Methodik: Thermische CVD-Beschichtung unter Verwendung von Zuckerrohrbagasse, Raman-Spektroskopie, XRD, SEM, TOPSIS-Optimierung.
  Zitat: Rana et al., 2021, S. 142–152
  https://pdfs.semanticscholar.org/a610/52ce2a3de80013863263c6e88cb6c1b93699.pdf

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