Trockenbearbeitung von Gusseisen: Anwendungen, Herausforderungen und Praxishinweise

Was dieses Material (bzw. Verfahren) ist

Die Trockenbearbeitung ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem ohne Kühlschmiermittel (KSS) gearbeitet wird. Im Gegensatz zur Nassbearbeitung, bei der KSS Wärme abführen, Späne entfernen und die Werkzeugstandzeit verlängern, basiert die Trockenbearbeitung auf der Optimierung von Werkzeug, Maschine und Prozess, um auf KSS zu verzichten.

Ein idealer Werkstoff für die Trockenbearbeitung ist Gusseisen – genauer gesagt Grauguss (GG) oder duktiles Gusseisen (GGG). Die wichtigsten Eigenschaften, die dies ermöglichen, sind:

1. Geringe Wärmeleitfähigkeit: Gusseisen leitet Wärme langsamer als Stahl, sodass ein Großteil der Schneidwärme mit den Spänen abgeführt wird, statt in das Werkstück oder Werkzeug einzudringen.
2. Geringe Kaltverfestigung: Im Gegensatz zu rostfreiem Stahl oder Aluminium verfestigt sich Gusseisen nur wenig unter Schneidbelastung, was die Werkzeugabnutzung reduziert.
3. Geringe Neigung zum Aufbauschneiden: Aufbauschneiden ist eine unerwünschte Anlagerung von Werkstoff an die Schneidkante, die bei weicheren Werkstoffen wie Aluminium auftritt. Bei Gusseisen fehlt die für die Anlagerung erforderliche Duktilität.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Bei der Trockenbearbeitung von Gusseisen treten spezifische Effekte auf, die sich auf Prozess und Werkzeug auswirken:

• Schnittkräfte: Im Vergleich zur Nassbearbeitung sind die Schnittkräfte um bis zu 20 % höher, da keine KSS die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstoff reduziert. Die Kräfte sind jedoch stabiler als bei weicheren Werkstoffen, da Gusseisen keine plötzlichen Verformungen aufweist.
• Wärmeentwicklung: Ohne KSS entsteht eine deutlich höhere lokale Temperatur an der Schneidkante – bis zu 1200 °C bei Schruppbearbeitung. Ein Teil der Wärme wird mit den Spänen abgeführt, ein weiterer Teil strahlt ab, der Rest belastet Werkzeug und Werkstück.
• Spanbildung: Gusseisen bildet kurze, spröde Späne, die sich leicht von der Schneidkante lösen. Dies reduziert die Reibung und verhindert, dass Späne Wärme an das Werkzeug übertragen.
• Werkzeugverschleißmechanismen: Ohne KSS treten zwei dominante Verschleißarten auf:
  1. Thermischer Verschleiß: Hohe Temperaturen führen zur Erweichung der Schneidkante und zur Oxidation von Werkstoffbestandteilen.
  2. Abriebverschleiß: Die harten Graphitpartikel im Gusseisen wirken wie Schleifmittel und reiben die Schneidkante ab.

Praktische Parameter

Die Parameter für die Trockenbearbeitung von Gusseisen müssen so gewählt werden, dass sie die Wärmeentwicklung kontrollieren und den Werkzeugverschleiß minimieren. Im Folgenden sind Bereiche und deren Begründung aufgeführt:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

• Bereich: 100–300 m/min für Schruppbearbeitung, 200–400 m/min für Schlichtbearbeitung
• Begründung: Höhere Schnittgeschwindigkeiten reduzieren die Kontaktzeit zwischen Werkzeug und Werkstoff, sodass weniger Wärme in das Werkzeug eindringt. Zu hohe Geschwindigkeiten führen jedoch zu übermäßiger thermischer Belastung. Für Maschinen mit hoher Spindeldrehzahl, wie das vertikale Bearbeitungszentrum GA-DV750 (max. 30.000 U/min), können die oberen Bereiche der Geschwindigkeiten erreicht werden.

Vorschub (f)

• Bereich: 0,1–0,3 mm/Zahn für Schruppbearbeitung, 0,05–0,15 mm/Zahn für Schlichtbearbeitung
• Begründung: Höhere Vorschübe reduzieren die Anzahl der Schneidvorgänge pro Werkstück und damit die Gesamtbelastung des Werkzeugs. Zu niedrige Vorschübe führen zu längerer Kontaktzeit und mehr Wärme. Bei Maschinen mit hohem Spindeldrehmoment, wie dem GA-MV856 (max. 95,5 Nm), können höhere Vorschübe ohne Überlastung der Spindel realisiert werden.

Werkzeuggeometrie

• Spanwinkel: 5–15° (positiv)
• Begründung: Ein positiver Spanwinkel reduziert die Schnittkräfte und die Wärmeentwicklung. Zu hohe positive Winkel führen jedoch zu einer schwächeren Schneidkante, die bei hohen Temperaturen brechen kann.
• Schneidkantenradius: 0,02–0,05 mm
• Begründung: Ein ausreichender Radius stabilisiert die Schneidkante gegen thermische und mechanische Belastung. Zu kleine Radien führen zu Brüchen, zu große Radien erhöhen die Reibung.
• Werkzeugmaterial: Beschichtetes Hartmetall (TiCN, TiAlN, AlTiN) oder Keramik
• Begründung: TiAlN-Beschichtungen sind hitzebeständig bis 800 °C, AlTiN bis 1200 °C. Keramikwerkstoffe halten Temperaturen bis 1500 °C stand, sind aber spröder und eignen sich nur für stabile Prozesse.

Was schiefgeht

Bei der Trockenbearbeitung von Gusseisen treten spezifische Fehler auf, die sich erkennen und beheben lassen:

1. Werkzeugbruch

   • Erkennung: Plötzlicher Ausfall des Werkzeugs, unregelmäßige Oberflächen am Werkstück.
   • Ursachen: Zu hohe Schnittkräfte, zu geringe Schneidkantenstabilität, thermische Ermüdung.
   • Behebung: Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit, Erhöhung des Schneidkantenradius, Wechsel zu einem stabileren Werkzeugmaterial.

2. Übermäßiger Werkzeugverschleiß

   • Erkennung: Abgenutzte Schneidkanten, ungenaue Maße, raue Oberflächen.
   • Ursachen: Zu hohe Temperaturen, unpassende Beschichtung, zu niedrige Schnittgeschwindigkeit.
   • Behebung: Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, Wechsel zu einer hitzebeständigeren Beschichtung (z. B. von TiCN zu AlTiN), Optimierung der Spanbildung.

3. Thermische Verformung des Werkstücks

   • Erkennung: Abweichungen von den Sollmaßen, Verformungen bei großen Werkstücken.
   • Ursachen: Ungleichmäßige Wärmeverteilung im Werkstück.
   • Behebung: Intervallbearbeitung (Pause zwischen den Schneidvorgängen zur Abkühlung), gleichmäßige Materialabnahme, Verwendung von Maschinen mit hoher Positioniergenauigkeit wie dem GA-UHD500 (0,006 mm), die Verformungen kompensieren kann.

4. Dustexplosion

   • Erkennung: Feine Gusseisenstaubwolken, Funkenbildung.
   • Ursachen: Unzureichende Staubabsaugung, hohe Schnittgeschwindigkeiten.
   • Behebung: Installation einer leistungsstarken Absauganlage, Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit, Verwendung von Funkenlöschern.

Ehrliche Einschränkungen

Die Trockenbearbeitung von Gusseisen ist nicht für alle Anwendungen geeignet. Die wichtigsten Grenzen sind:

1. Komplexe Geometrien mit engen Toleranzen: Bei Werkstücken mit tiefen Hohlräumen oder kleinen Radien kann der Staub nicht vollständig abgeführt werden, was zu Verschleiß und Oberflächenfehlern führt.
2. Weiches oder duktiles Gusseisen: Gusseisen mit hohem Duktilitätsanteil neigt zum Aufbauschneiden, was die Werkzeugstandzeit reduziert.
3. Große Werkstücke mit hohem Materialabtrag: Bei sehr großen Abnahmemengen kann die Wärme nicht ausreichend abgeführt werden, was zu Werkstückverformungen führt.
4. Maschinenanforderungen: Die Trockenbearbeitung erfordert Maschinen mit hoher Spindeldrehzahl, hohem Drehmoment und guter Staubabdichtung. Maschinen mit niedriger Spindeldrehzahl (z. B. das GA-GF2517 mit max. 6.000 U/min) können die erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten nicht erreichen.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Auftrags

1. Werkzeugprüfung: Verwenden Sie beschichtetes Hartmetall oder Keramik, überprüfen Sie die Schneidkanten auf Beschädigungen.
2. Maschinenprüfung: Stellen Sie sicher, dass die Maschine die erforderliche Spindeldrehzahl und das Drehmoment erreicht (z. B. GA-DV750 für hohe Geschwindigkeiten, GA-MV856 für hohe Drehmomente).
3. Staubabsaugung: Installieren Sie eine Absauganlage mit ausreichender Leistung, überprüfen Sie die Filter regelmäßig.
4. Parameteranpassung: Beginnen Sie mit den unteren Bereichen der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs, passen Sie sie schrittweise an.
5. Werkstückspannung: Verwenden Sie eine stabile Spannvorrichtung, um Vibrationen zu reduzieren.
6. Überwachung: Überwachen Sie den Werkzeugverschleiß und die Werkstücktemperatur während des Prozesses.
7. Sicherheit: Tragen Sie Schutzbrille und Staubmaske, stellen Sie sicher, dass die Maschine ausreichend abgesichert ist.

FAQ

1. Kann ich die Trockenbearbeitung auch für andere Werkstoffe als Gusseisen verwenden? Ja, aber nur für Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften. Geeignet sind zum Beispiel gehärteter Stahl (HRC > 50) oder Titanlegierungen. Für weichere Werkstoffe wie Aluminium oder rostfreien Stahl ist die Trockenbearbeitung nicht empfehlenswert, da sie zum Aufbauschneiden neigen und die Wärme schlecht abführen.

2. Welche Vorteile hat die Trockenbearbeitung im Vergleich zur Nassbearbeitung? Die wichtigsten Vorteile sind: Keine Kosten für Kühlschmiermittel und deren Entsorgung, keine Umweltbelastung durch KSS, geringere Maschinenwartung (keine Filterwechsel für KSS), sauberere Werkstücke und Arbeitsumgebungen.

3. Kann ich eine bestehende Nassbearbeitungsmaschine für die Trockenbearbeitung umrüsten? In den meisten Fällen ja. Sie müssen die Maschine gegen Staub abdichten, eine leistungsstarke Absauganlage installieren und die Spindel auf hohe Drehzahlen anpassen, falls erforderlich. Für Maschinen mit niedriger Spindeldrehzahl (z. B. max. 6.000 U/min) ist eine Umrüstung nicht empfehlenswert, da die erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten nicht erreicht werden können.

4. Wie lange hält ein Werkzeug bei der Trockenbearbeitung von Gusseisen? Die Werkzeugstandzeit hängt von den Parametern und dem Werkzeugmaterial ab. Bei optimalen Bedingungen hält ein beschichtetes Hartmetallwerkzeug zwischen 10 und 30 Minuten, ein Keramikwerkzeug bis zu 60 Minuten. Bei unpassenden Parametern kann die Standzeit auf weniger als 5 Minuten sinken.

5. Welche Gree-Maschine eignet sich am besten für die Trockenbearbeitung von großen Gusseisenwerkstücken? Für große Werkstücke mit hohem Materialabtrag eignet sich das vertikale Bearbeitungszentrum GA-MVD2560. Es verfügt über ein hohes Spindeldrehmoment (max. 120 Nm), eine große Tischbelastung (2.000 kg) und eine ausreichende Spindeldrehzahl (12.000 U/min), um die erforderlichen Parameter für die Trockenbearbeitung zu erreichen.

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