Hartfräsen von gehärteten Stählen (45–65 HRC)

Was dieser Werkstoff (oder Prozess) ist

Hartfräsen ist ein spanender Fertigungsprozess, bei dem bereits gehärtete Stähle mit einer Härte von 45 bis 65 HRC (Härte nach Rockwell C, ein Maß für die Festigkeit von metallischen Werkstoffen) direkt bearbeitet werden – ohne vorherige Wärmebehandlung oder anschließende Nachbearbeitung wie Schleifen. Im Gegensatz zum konventionellen Fräsen von weichen Stählen (unter 45 HRC) entfällt hier der Schritt der Wärmebehandlung nach der Bearbeitung, was die Prozesskette verkürzt und Verzüge durch Wärmeeinwirkung reduziert.

Die relevanten Eigenschaften der zu bearbeitenden Stähle für das Hartfräsen sind:

1. Härtebereich: 45–65 HRC. Stähle unter 45 HRC lassen sich mit konventionellen Werkzeugen wirtschaftlicher bearbeiten; Stähle über 65 HRC erfordern spezielle, extrem teure Werkzeuge und sind nur für spezielle Anwendungen (z. B. hochfeste Werkzeuge) geeignet.
2. Kohlenstoffgehalt: Meist über 0,45 %, da dieser die Härte nach der Wärmebehandlung bestimmt.
3. Legierungselemente: Zusätze wie Chrom, Molybdän oder Vanadium erhöhen die Verschleißfestigkeit und Zähigkeit des Stahls, erschweren aber gleichzeitig die Bearbeitung.
4. Verzug: Bereits gehärtete Stähle haben einen geringen Verzug, da die Wärmebehandlung vor der Bearbeitung stattfindet – im Gegensatz zu weichen Stählen, die nach dem Fräsen verzogen werden und nachbearbeitet werden müssen.

Wie er sich unter dem Werkzeug verhält

Gehärtete Stähle verhalten sich unter dem Fräswerkzeug grundlegend anders als weiche Stähle, was sich auf Schnittkräfte, Wärmeentwicklung, Spanbildung und Werkzeugverschleiß auswirkt:

• Schnittkräfte: Schnittkräfte sind 2–3 Mal höher als bei weichen Stählen gleicher Festigkeit. Dies liegt an der hohen Härte und Festigkeit des Werkstoffs, die eine größere Kraft zum Trennen der Materialpartikel erfordert.
• Wärmeentwicklung: Im Gegensatz zum konventionellen Fräsen, bei dem bis zu 80 % der Schnittwärme in den Span abgeführt wird, verbleibt bei gehärteten Stählen bis zu 60 % der Wärme im Werkzeug und Werkstück. Der Grund: Der harte Werkstoff lässt sich nicht leicht verformen, sodass die Energie der Schnittkraft fast vollständig in Wärme umgewandelt wird. Diese Wärme kann das Werkzeug beschädigen, wenn es nicht hitzebeständig genug ist.
• Spanbildung: Bei gehärteten Stählen bilden sich kurze, spröde Späne. Dies liegt an der hohen Härte, die eine plastische Verformung des Werkstoffs vor dem Trennen verhindert. Kurze Späne sind vorteilhaft, da sie sich nicht um das Werkzeug wickeln und die Bearbeitung stören.
• Werkzeugverschleißmechanismen: Der Verschleiß von Werkzeugen beim Hartfräsen unterscheidet sich von dem bei weichen Stählen:
  1. Abriebverschleiß: Die harten Partikel des Werkstoffs reiben an der Werkzeugschneide und entfernen Material.
  2. Diffusionsverschleiß: Bei hohen Temperaturen diffundieren Atome des Werkstoffs in das Werkzeugmaterial und umgekehrt, was die Schneide schwächt.
  3. Thermischer Riss: Zyklische Temperaturänderungen (Erwärmung beim Schnitt, Abkühlung durch Kühlmittel) führen zu Spannungen, die Risse in der Schneide verursachen.
  4. Ausbrüche: Hohe Schnittkräfte und harte Werkstoffpartikel können kleine Stücke der Schneide abbrechen.

Praktische Parameter

Die Parameter für das Hartfräsen hängen von der Werkzeugart (CBN oder Keramik), der Härte des Werkstoffs und der Maschine ab. Im Folgenden werden die gängigen Bereiche und deren Abwägungen erläutert:

Werkzeugarten

Zwei Werkzeugarten werden hauptsächlich für das Hartfräsen verwendet:

1. CBN-Werkzeuge (Kubisches Bornitrid): Hitzebeständig bis über 1200 °C, extrem hart (nur Diamant ist härter). Geeignet für Stähle über 50 HRC.
2. Keramikwerkzeuge: Hitzebeständig bis über 1400 °C, aber spröder als CBN. Geeignet für Stähle zwischen 45 und 55 HRC.

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneide des Werkzeugs durch den Werkstoff bewegt wird.

• CBN-Werkzeuge: 100–300 m/min. Höhere Geschwindigkeiten (über 200 m/min) reduzieren die Schnittkräfte und erhöhen die Produktivität, erhöhen aber auch die Wärmeentwicklung und den Verschleiß. Niedrigere Geschwindigkeiten (unter 150 m/min) verlängern die Werkzeuglebensdauer, senken aber die Produktivität.
• Keramikwerkzeuge: 200–500 m/min. Keramik ist hitzebeständiger als CBN, sodass höhere Geschwindigkeiten möglich sind. Allerdings ist Keramik spröder, sodass zu hohe Geschwindigkeiten zu Ausbrüchen führen können.

Vorschub (fz)

Der Vorschub pro Zahn ist die Strecke, die das Werkzeug pro Umdrehung und pro Schneide zurücklegt.

• CBN-Werkzeuge: 0,05–0,2 mm/Zahn. Höhere Vorschübe erhöhen die Produktivität, aber auch die Schnittkräfte und den Verschleiß. Niedrigere Vorschübe reduzieren die Oberflächenrauheit, senken aber die Produktivität.
• Keramikwerkzeuge: 0,1–0,3 mm/Zahn. Keramik kann höhere Vorschübe vertragen, da es härter ist als CBN. Allerdings können zu hohe Vorschübe zu Ausbrüchen führen.

Werkzeuggeometrie

Die Geometrie des Werkzeugs hat einen großen Einfluss auf die Bearbeitung:

• Spanwinkel: Negativer Spanwinkel (-5° bis -15°). Ein negativer Spanwinkel erhöht die Stabilität der Schneide, da er die Schnittkräfte auf einen größeren Bereich der Schneide verteilt. Dies ist wichtig für hohe Schnittkräfte bei gehärteten Stählen.
• Schneidenradius: 0,2–1,0 mm. Ein größerer Schneidenradius erhöht die Stabilität der Schneide, reduziert aber die Oberflächenrauheit. Ein kleinerer Schneidenradius verbessert die Oberflächenqualität, ist aber empfindlicher gegen Ausbrüche.
• Schneidenlänge: So kurz wie möglich. Eine kürzere Schneide erhöht die Stabilität des Werkzeugs und reduziert Vibrationen.

Maschineneignung

Nicht jede Maschine ist für das Hartfräsen geeignet. Wichtige Anforderungen an die Maschine sind:

• Hohe Steifigkeit: Die Maschine muss hohe Schnittkräfte ohne Vibrationen aufnehmen können.
• Hohe Spindelgeschwindigkeit: Für hohe Schnittgeschwindigkeiten bei kleinen Werkzeugen.
• Hohe Positioniergenauigkeit: Für präzise Bearbeitungen.

Beispiele für geeignete Gree CNC-Maschinen:

• GA-DV750: Vertikales Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm, einer Spindelgeschwindigkeit von bis zu 30.000 U/min und einer hohen Steifigkeit. Geeignet für präzise Hartfräsarbeiten mit CBN-Werkzeugen.
• GA-UHD500: Hochpräzises 5-Achsen-Bearbeitungszentrum mit einer Positioniergenauigkeit von 0,006 mm, einer Spindelgeschwindigkeit von bis zu 12.000 U/min und einem Spindeldrehmoment von bis zu 130 Nm. Geeignet für komplexe Hartfräsarbeiten mit hohen Schnittkräften.
• GA-MV856: Vertikales Bearbeitungszentrum mit einem Spindeldrehmoment von bis zu 95,5 Nm und einer hohen Steifigkeit. Geeignet für Hartfräsarbeiten mit Keramikwerkzeugen.

Was schiefgeht

Beim Hartfräsen können verschiedene Fehler auftreten. Im Folgenden werden die häufigsten Fehler, ihre Ursachen und Lösungen erläutert:

1. Werkzeugbruch

   • Ursachen: Zu hohe Schnittkräfte, zu hohe Vorschübe, zu hohe Geschwindigkeiten, zu geringe Steifigkeit der Maschine oder des Werkzeugs, falsche Werkzeuggeometrie.
   • Lösungen: Reduzieren von Vorschub und Geschwindigkeit, Erhöhen der Steifigkeit (z. B. durch kürzere Werkzeuge, stabilere Aufspannung), Anpassen der Werkzeuggeometrie (z. B. größerer Schneidenradius, negativer Spanwinkel).

2. Hoher Werkzeugverschleiß

   • Ursachen: Zu hohe Geschwindigkeiten, zu hohe Vorschübe, falsche Kühlung, falsche Werkzeugart für den Werkstoff.
   • Lösungen: Reduzieren von Geschwindigkeit und Vorschub, Anpassen der Kühlung (z. B. Hochdruckkühlung), Verwendung der richtigen Werkzeugart (CBN für Stähle über 50 HRC, Keramik für Stähle zwischen 45 und 55 HRC).

3. Schlechte Oberflächenqualität

   • Ursachen: Vibrationen, zu hohe Vorschübe, zu geringe Geschwindigkeiten, falsche Werkzeuggeometrie, falsche Kühlung.
   • Lösungen: Reduzieren von Vorschub, Erhöhen der Geschwindigkeit, Anpassen der Werkzeuggeometrie (z. B. kleinerer Schneidenradius), Erhöhen der Steifigkeit, Anpassen der Kühlung.

4. Maßungenauigkeit

   • Ursachen: Vibrationen, Wärmeausdehnung des Werkzeugs oder Werkstücks, falsche Positioniergenauigkeit der Maschine, falsche Aufspannung.
   • Lösungen: Reduzieren von Geschwindigkeit und Vorschub, Verwendung von Kühlung zur Reduzierung der Wärmeausdehnung, Kalibrierung der Maschine, Verbesserung der Aufspannung.

5. Ausbrüche an der Werkstückkante

   • Ursachen: Zu hohe Schnittkräfte, zu hohe Vorschübe, falsche Werkzeuggeometrie, falsche Bearbeitungsstrategie (z. B. ununterbrochenes Fräsen an der Kante).
   • Lösungen: Reduzieren von Vorschub und Geschwindigkeit, Anpassen der Werkzeuggeometrie (z. B. größerer Schneidenradius), Verwendung einer Bearbeitungsstrategie mit Ein- und Auslaufbewegungen an der Kante.

Ehrliche Einschränkungen

Hartfräsen ist nicht für alle Anwendungen geeignet. Im Folgenden werden die Fälle erläutert, in denen Hartfräsen eine schlechte Wahl ist:

1. Weiche Stähle (unter 45 HRC): Für weiche Stähle ist das Hartfräsen wirtschaftlich nicht sinnvoll. Konventionelle Werkzeuge sind günstiger und die Produktivität ist höher.

2. Sehr harte Stähle (über 65 HRC): Stähle über 65 HRC erfordern spezielle, extrem teure Werkzeuge (z. B. CBN mit hohem Bindemittelgehalt). Die Werkzeuglebensdauer ist sehr gering, sodass das Hartfräsen nur für spezielle Anwendungen (z. B. hochfeste Werkzeuge) geeignet ist.

3. Komplexe Geometrien mit kleinen Radien: Für komplexe Geometrien mit kleinen Radien (unter 0,5 mm) ist das Hartfräsen schwierig. Kleine Werkzeuge haben eine geringe Stabilität und die Werkzeuglebensdauer ist sehr gering. In diesen Fällen ist EDM (Elektroerosionsbearbeitung) oft die bessere Wahl.

4. Große Werkstücke mit hohem Materialabtrag: Für große Werkstücke mit hohem Materialabtrag ist das Hartfräsen weniger wirtschaftlich als das konventionelle Fräsen von weichen Stählen. Die Schnittkräfte sind höher, die Werkzeuglebensdauer ist geringer und die Produktivität ist niedriger.

5. Niedrige Stückzahlen: Für niedrige Stückzahlen ist das Hartfräsen oft nicht wirtschaftlich. Die Werkzeuge sind teurer und die Einrichtungszeit ist länger als bei konventionellen Prozessen.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Jobs

Bevor Sie mit dem Hartfräsen beginnen, überprüfen Sie die folgenden Punkte:

1. Werkstoffprüfung: Messen Sie die Härte des Werkstoffs (45–65 HRC) und überprüfen Sie die chemische Zusammensetzung.
2. Werkzeugauswahl: Wählen Sie die richtige Werkzeugart (CBN für Stähle über 50 HRC, Keramik für Stähle zwischen 45 und 55 HRC) und Geometrie (negativer Spanwinkel, passender Schneidenradius).
3. Maschinenprüfung: Überprüfen Sie die Steifigkeit der Maschine, die Spindelgeschwindigkeit, das Spindeldrehmoment und die Positioniergenauigkeit. Geeignete Gree CNC-Maschinen: GA-DV750, GA-UHD500, GA-MV856.
4. Aufspannung: Stellen Sie eine stabile Aufspannung des Werkstücks sicher, um Vibrationen zu vermeiden.
5. Kühlung: Richten Sie die Kühlung ein (Hochdruckkühlung ist empfehlenswert), um Wärme abzuführen und Verschleiß zu reduzieren.
6. Parameteranpassung: Legen Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub fest, beginnend mit den unteren Bereichen, und passen Sie sie schrittweise an.
7. Probelauf: Führen Sie einen Probelauf mit reduzierten Parametern durch, um Fehler zu erkennen, bevor Sie mit der Serienproduktion beginnen.

FAQ

1. Frage: Wann ist Hartfräsen besser als EDM? Antwort: Hartfräsen ist besser als EDM, wenn:

   • Die Stückzahlen hoch sind (Hartfräsen ist schneller als EDM).
   • Die Geometrie einfach ist (keine kleinen Radien oder komplexen Hohlräume).
   • Die Oberflächenqualität hoch ist (Hartfräsen kann bessere Oberflächenqualität erreichen als EDM).
   • Die Produktionszeit kurz ist (Hartfräsen hat kürzere Zykluszeiten als EDM).

2. Frage: Kann ich Hartfräsen auf jeder CNC-Maschine durchführen? Antwort: Nein. Hartfräsen erfordert eine Maschine mit hoher Steifigkeit, hoher Spindelgeschwindigkeit und hoher Positioniergenauigkeit. Beispiele für geeignete Gree CNC-Maschinen sind die GA-DV750 (hohe Genauigkeit), die GA-UHD500 (hohes Drehmoment) und die GA-MV856 (hohe Steifigkeit).

3. Frage: Welche Kühlung ist für das Hartfräsen am besten? Antwort: Hochdruckkühlung (70–100 bar) ist am besten. Sie führt die Wärme effektiv ab, reduziert den Werkzeugverschleiß und verbessert die Oberflächenqualität. Alternativ kann auch Minimalmengenschmierung verwendet werden, aber sie ist weniger effektiv bei der Wärmeabführung.

4. Frage: Wie lange hält ein CBN-Werkzeug beim Hartfräsen? Antwort: Die Werkzeuglebensdauer hängt von der Härte des Werkstoffs, den Parametern und der Kühlung ab. Typischerweise liegt sie zwischen 10 und 60 Minuten Schnittzeit. Bei Stählen über 60 HRC und hohen Geschwindigkeiten kann sie auch unter 10 Minuten liegen.

5. Frage: Kann ich Hartfräsen für weiche Stähle verwenden? Antwort: Technisch möglich, aber wirtschaftlich nicht sinnvoll. Für weiche Stähle (unter 45 HRC) sind konventionelle Werkzeuge günstiger, die Produktivität ist höher und die Prozesskosten sind niedriger. Hartfräsen ist nur für gehärtete Stähle (45–65 HRC) wirtschaftlich.

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