Hartdrehen von gehärteten Stählen

Was ist das Hartdrehen von gehärteten Stählen?

Das Hartdrehen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei dem Werkstücke aus gehärtetem Stahl (also Stählen mit einer Härte von mindestens 45 HRC, oft zwischen 55 und 65 HRC) direkt nach der Wärmebehandlung bearbeitet werden. Im Gegensatz zum Weichdrehen, das vor der Härtebehandlung stattfindet, ersetzt das Hartdrehen in vielen Fällen das Schleifen – ein traditionelles Verfahren zur Bearbeitung von gehärteten Werkstücken.

Für die Bearbeitung sind zwei zentrale Voraussetzungen erforderlich:

1. Werkzeuge mit hoher Härte und Verschleißfestigkeit: Am weitesten verbreitet sind hier CBN-Einsätze (kubisches Bornitrid-Einsätze, ein synthetisches Material mit einer Härte, die nur von Diamant übertroffen wird).
2. Maschinen mit ausreichender Steifigkeit: Da gehärtete Stähle hohe Kräfte erzeugen, müssen Maschine, Werkzeughalter und Spannvorrichtung keine Verformungen zulassen, die Maßgenauigkeit oder Oberflächenqualität beeinträchtigen.

Wie verhält sich gehärteter Stahl unter dem Werkzeug?

Gehärtete Stähle weisen ein anderes Verhalten bei der Bearbeitung auf als weiche Stähle, was sich auf alle Aspekte des Zerspanungsprozesses auswirkt:

Schnittkräfte

Aufgrund der hohen Härte und Festigkeit von gehärteten Stählen sind die Schnittkräfte um 30 bis 50 % höher als bei der Bearbeitung von weichen Stählen gleicher Abmessung. Die Kräfte sind zudem weniger gleichmäßig: Bei kleinen Schnitttiefen treten periodische Schwankungen auf, die zu Vibrationen führen können.

Wärmeentwicklung

Im Gegensatz zum Schleifen, bei dem die Wärme hauptsächlich über die Späne und das Kühlmittel abgeführt wird, wird beim Hartdrehen bis zu 80 % der Zerspanungswärme über die Späne abgeführt. Dies liegt an den hohen Schnittgeschwindigkeiten, bei denen der Werkstoff an der Schneidkante schnell lokal erhitzt wird, bevor die Wärme in das Werkstück eindringen kann. Dadurch wird das Risiko von thermischen Verformungen oder Rissen im Werkstück reduziert.

Spanbildung

Bei gehärteten Stählen treten drei Spanarten auf:

• Kurzbrüche Späne: Bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und großen Schnitttiefen brechen die Späne schnell ab, was das Handling erleichtert.
• Fließspäne: Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten bilden sich lange, dünne Späne, die die Schneidkante beschädigen können.
• Schuppenspäne: Bei ungeeigneten Parametern entstehen unregelmäßige Späne, die zu Oberflächenfehlern führen.

Werkzeugverschleißmechanismen

CBN-Einsätze unterliegen beim Hartdrehen drei Hauptverschleißarten:

1. Abriebverschleiß: Die harten Bestandteile des gehärteten Stahls reiben an der Schneidkante und erzeugen einen gleichmäßigen Verschleiß.
2. Diffusionsverschleiß: Bei hohen Temperaturen wandeln sich Bestandteile des CBN in weichere Verbindungen um, die sich leicht abtragen lassen.
3. Kantenausbrüche: Hohe Kräfte oder Vibrationen führen zu kleinen Rissen an der Schneidkante, die sich zu größeren Ausbrüchen entwickeln.

Praktische Parameter: Geschwindigkeiten, Vorschübe, Werkzeuggeometrie und deren Begründung

Die Parameter für das Hartdrehen sind eng an die Eigenschaften des Werkstoffs und der Maschine gebunden. Jede Einstellung hat Kompromisse zwischen Produktivität, Werkzeugstandzeit und Oberflächenqualität.

Schnittgeschwindigkeit

Die Schnittgeschwindigkeit (v_c) liegt typischerweise zwischen 100 und 300 m/min für CBN-Einsätze. Die Begründung für den Bereich:

• Unter 100 m/min: Hohe Kräfte und Abriebverschleiß führen zu kurzer Werkzeugstandzeit.
• Über 300 m/min: Hohe Temperaturen verursachen Diffusionsverschleiß und Kantenausbrüche.

Die genaue Einstellung hängt von der Härte des Werkstücks ab: Je höher die Härte, desto niedriger die Schnittgeschwindigkeit.

Vorschub

Der Vorschub (f) liegt zwischen 0,05 und 0,3 mm/U. Die Begründung:

• Unter 0,05 mm/U: Hohe Kräfte und Vibrationen führen zu Oberflächenfehlern.
• Über 0,3 mm/U: Hohe Kräfte verursachen Kantenausbrüche und beeinträchtigen die Maßgenauigkeit.

Für eine hohe Oberflächenqualität wird oft ein Vorschub von 0,1 bis 0,2 mm/U gewählt.

Schnitttiefe

Die Schnitttiefe (a_p) liegt zwischen 0,1 und 0,5 mm. Die Begründung:

• Unter 0,1 mm: Die Schneidkante dringt nicht vollständig in den Werkstoff ein, sondern reibt an der Oberfläche, was zu hohem Verschleiß führt.
• Über 0,5 mm: Hohe Kräfte verursachen Verformungen der Maschine und des Werkstücks.

Werkzeuggeometrie

CBN-Einsätze für das Hartdrehen haben spezielle Geometrien:

• Negative Spanwinkel: Zwischen -5 und -15 Grad. Negative Spanwinkel erhöhen die Stabilität der Schneidkante, was für hohe Kräfte erforderlich ist.
• Kleine Freiwinkel: Zwischen 5 und 10 Grad. Kleine Freiwinkel reduzieren die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück.
• Abgerundete Schneidkanten: Mit einem Radius von 0,02 bis 0,1 mm. Abgerundete Kanten reduzieren Kantenausbrüche und verbessern die Oberflächenqualität.

Maschineneignung

Für das Hartdrehen ist eine hohe Maschinensteifigkeit erforderlich. Geeignete Gree CNC-Maschinen sind:

• GA-UHD500: Mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm und einer Spindel mit 130 Nm Drehmoment eignet sich für präzise Hartdrehaufgaben.
• GA-MV856: Mit einem Drehmoment von bis zu 95,5 Nm und einer Tischlast von 500 kg ist geeignet für größere Werkstücke.
• GA-HT6065 und GA-TM6055: CNC-Drehmaschinen mit einer Spindelpower von bis zu 18,5 kW sind spezialisiert auf Drehaufgaben.

Was geht schief? Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Beim Hartdrehen treten typische Fehler auf, die sich auf die Qualität des Werkstücks oder die Produktivität auswirken:

Oberflächenfehler (z. B. Rillen, Rauheit)

• Erkennung: Messung der Oberflächenrauheit oder visuelle Inspektion.
• Ursachen: Zu hoher Vorschub, ungeeignete Werkzeuggeometrie, Vibrationen, abgenutztes Werkzeug.
• Behebung: Reduzierung des Vorschubs, Wahl eines Werkzeugs mit abgerundeter Schneidkante, Erhöhung der Maschinensteifigkeit, Austausch des Werkzeugs.

Maßungenauigkeit

• Erkennung: Messung der Werkstückabmessungen.
• Ursachen: Verformung der Maschine oder des Werkstücks durch hohe Kräfte, thermische Verformung, abgenutztes Werkzeug.
• Behebung: Reduzierung der Schnitttiefe oder Schnittgeschwindigkeit, Verbesserung der Spannvorrichtung, Kompensation von thermischen Verformungen, Austausch des Werkzeugs.

Kurze Werkzeugstandzeit

• Erkennung: Messung des Verschleißes der Schneidkante oder plötzliche Fehler im Werkstück.
• Ursachen: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, zu große Schnitttiefe, ungeeignete Werkzeuggeometrie, Vibrationen.
• Behebung: Reduzierung der Schnittgeschwindigkeit oder Schnitttiefe, Wahl eines Werkzeugs mit höherer Verschleißfestigkeit, Erhöhung der Maschinensteifigkeit.

Kantenausbrüche am Werkzeug

• Erkennung: Visuelle Inspektion des Werkzeugs oder plötzliche Oberflächenfehler im Werkstück.
• Ursachen: Hohe Kräfte, Vibrationen, ungeeignete Werkzeuggeometrie.
• Behebung: Reduzierung der Schnitttiefe oder Vorschub, Wahl eines Werkzeugs mit abgerundeter Schneidkante, Erhöhung der Maschinensteifigkeit.

Ehrliche Einschränkungen: Wo ist das Hartdrehen keine gute Wahl?

Das Hartdrehen hat klare Grenzen, bei denen andere Verfahren (wie Schleifen oder Weichdrehen mit anschließender Härtebehandlung) besser geeignet sind:

1. Sehr hohe Anforderungen an die Oberflächenqualität: Für Werkstücke mit einer Rauheit von weniger als Ra 0,2 μm ist das Schleifen oft besser geeignet. Obwohl das Hartdrehen Rauheiten von bis zu Ra 0,1 μm erreichen kann, ist es schwieriger, diese Qualität konstant zu halten.
2. Sehr große Werkstücke: Für Werkstücke mit einer Länge von mehr als 1000 mm oder einem Gewicht von mehr als 2000 kg ist die Maschinensteifigkeit oft nicht ausreichend. Die Verformung der Maschine unter hohen Kräften führt zu Maßungenauigkeiten.
3. Werkstücke mit komplexen Geometrien: Für Werkstücke mit engen Radien, tiefen Nuten oder komplexen Profilen ist das Hartdrehen schwierig. Die Werkzeuggeometrie ist oft nicht geeignet, um diese Geometrien zu bearbeiten, ohne dass es zu Kantenausbrüchen oder Oberflächenfehlern kommt.
4. Kleine Stückzahlen: Für Stückzahlen von weniger als 50 Werkstücken ist das Hartdrehen oft nicht wirtschaftlich. Die Kosten für die CBN-Einsätze und die Einrichtung der Maschine sind höher als beim Schleifen.
5. Werkstücke mit hoher Härte (über 65 HRC): Für Stähle mit einer Härte von mehr als 65 HRC ist der Werkzeugverschleiß extrem hoch. Die Standzeit der CBN-Einsätze sinkt auf weniger als 10 Minuten pro Einsatz, was das Verfahren unwirtschaftlich macht.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung der Aufgabe

1. Werkstückprüfung: Überprüfen Sie die Härte des Werkstücks (sollte zwischen 45 und 65 HRC liegen) und die Geometrie.
2. Maschinenauswahl: Wählen Sie eine Maschine mit ausreichender Steifigkeit und Drehmoment. Geeignete Modelle sind GA-UHD500, GA-MV856 oder GA-HT6065.
3. Werkzeugauswahl: Wählen Sie CBN-Einsätze mit negativen Spanwinkeln, kleinen Freiwinkeln und abgerundeten Schneidkanten.
4. Spannvorrichtung: Stellen Sie sicher, dass die Spannvorrichtung das Werkstück sicher hält und keine Verformungen verursacht.
5. Parameter einstellen: Passen Sie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe an die Härte des Werkstücks an.
6. Probelauf: Führen Sie einen Probelauf mit reduzierten Parametern durch, um Fehler zu erkennen, bevor Sie die volle Produktion starten.
7. Kontrolle: Überprüfen Sie regelmäßig die Werkstückqualität und den Werkzeugverschleiß.

FAQ

1. Kann das Hartdrehen das Schleifen vollständig ersetzen? Nein. Das Hartdrehen eignet sich für viele Anwendungen, aber für Werkstücke mit sehr hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität (Ra < 0,2 μm) oder sehr komplexen Geometrien ist das Schleifen oft besser geeignet.

2. Wie lange hält ein CBN-Einsatz beim Hartdrehen? Die Standzeit liegt typischerweise zwischen 30 und 120 Minuten pro Einsatz, abhängig von den Parametern und der Härte des Werkstücks. Bei optimalen Einstellungen kann sie auch länger sein.

3. Ist das Hartdrehen für kleine Stückzahlen wirtschaftlich? Nein, für Stückzahlen von weniger als 50 Werkstücken ist das Hartdrehen oft nicht wirtschaftlich. Die Kosten für die CBN-Einsätze und die Einrichtung der Maschine sind höher als beim Schleifen.

4. Welche Gree CNC-Maschine eignet sich am besten für das Hartdrehen? Die GA-UHD500 eignet sich am besten für präzise Hartdrehaufgaben aufgrund ihrer hohen Positioniergenauigkeit (0,006 mm) und ihres hohen Drehmoments (130 Nm). Für größere Werkstücke ist die GA-MV856 geeignet.

5. Kann man gehärteten Stahl mit anderen Werkzeugen als CBN-Einsätzen bearbeiten? Ja, man kann auch Keramikeinsätze verwenden, aber diese sind weniger verschleißfest als CBN-Einsätze und eignen sich nur für niedrigere Härten (unter 55 HRC). Diamantwerkzeuge sind nicht geeignet, da sie bei hohen Temperaturen mit Stahl reagieren.

← Zurück zur Startseite