PKD- und Diamantwerkzeuge: Bearbeitung von abrasiven Nichteisenmetallen mit langer Standzeit und hohen Kosten

Was dieses Material (bzw. dieser Werkstoff) ist

PKD (Polykristalliner Diamant) und monokristalliner Diamant (MKD) gehören zu den härtesten bekannten Werkstoffen für Schneidwerkzeuge. Beim ersten Erscheinen der Begriffe:

• PKD: Ein Verbundwerkstoff, bei dem winzige Diamantkristalle unter extremem Druck und Temperatur auf einer Hartmetallgrundlage gesintert werden. Die Kristalle sind zufällig ausgerichtet, was dem Werkzeug eine gleichmäßige Härte über alle Schneidkanten hinweg verleiht.
• MKD: Ein einzelner, natürlich oder künstlich gezüchteter Diamantkristall, der eine sehr hohe Härte und geringe Reibung aufweist, aber aufgrund seiner einheitlichen Kristallstruktur empfindlicher gegen Bruch ist.

Die für die Bearbeitung relevanten Eigenschaften sind:

1. Härte: PKD erreicht eine Härte von bis zu 10.000 HV (Vickers-Härte), MKD sogar bis zu 12.000 HV – im Vergleich zu Hartmetall (ca. 1.500 HV) oder beschichteten Hartmetallwerkzeugen (ca. 2.500 HV) ist das 4- bis 8-fach höher.
2. Wärmeleitfähigkeit: Diamant leitet Wärme 5-mal besser als Kupfer, was dazu führt, dass die bei der Bearbeitung entstehende Wärme schnell von der Schneidkante abgeführt wird.
3. Chemische Stabilität: Bei Temperaturen unter 700 °C reagiert Diamant kaum mit anderen Materialien – oberhalb dieser Temperatur oxidiert er und verliert seine Härte.

Diese Eigenschaften machen PKD und MKD besonders geeignet für die Bearbeitung von abrasiven Nichteisenmetallen, also Werkstoffen wie Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt (z. B. AlSi12, AlSi20), Kupferlegierungen, Messing, Bronze oder auch faserverstärkten Kunststoffen (CFK, GFK).

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Bei der Bearbeitung mit PKD- oder Diamantwerkzeugen treten spezifische Effekte auf, die sich von der Bearbeitung mit Hartmetallwerkzeugen unterscheiden:

1. Schnittkräfte: Aufgrund der hohen Härte und geringen Reibung von Diamant sind die Schnittkräfte um 20 bis 40 % niedriger als bei vergleichbaren Hartmetallwerkzeugen. Das reduziert die Belastung von Maschine, Werkstück und Werkzeug.
2. Wärmeentwicklung: Obwohl die Schnittkräfte niedriger sind, entsteht aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeiten (siehe Abschnitt Praktische Parameter) dennoch eine hohe Wärmemenge. Die gute Wärmeleitfähigkeit von Diamant führt dazu, dass bis zu 80 % der entstehenden Wärme über den Span abgeführt wird – im Vergleich zu Hartmetall, bei dem bis zu 50 % der Wärme über die Schneidkante abgeführt wird.
3. Spanbildung: Bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt entstehen kurze, brüchige Späne, da das Silizium die Duktilität des Aluminiums reduziert. Bei weicheren Nichteisenmetallen wie reinem Kupfer entstehen lange, kontinuierliche Späne, die die Schneidkante beschädigen können, wenn sie nicht richtig abgeführt werden.
4. Verschleißmechanismen: Der Verschleiß von PKD- und Diamantwerkzeugen unterscheidet sich von Hartmetall:
   • Abriebverschleiß: Verursacht durch abrasive Partikel im Werkstück (z. B. Siliziumkristalle in Aluminiumlegierungen). Aufgrund der hohen Härte von Diamant ist dieser Verschleiß extrem gering.
   • Kantenbruch: Tritt auf, wenn die Schneidkante durch hohe mechanische Belastung oder Stöße bricht. MKD-Werkzeuge sind hier empfindlicher als PKD-Werkzeuge.
   • Oxidativer Verschleiß: Tritt auf, wenn die Schneidkante Temperaturen über 700 °C erreicht. Der Diamant oxidiert und verliert seine Härte.

Praktische Parameter: Geschwindigkeiten, Vorschübe, Werkzeuggeometrie und die Begründung der Bereiche

Die Parameter für PKD- und Diamantwerkzeuge sind stark von dem zu bearbeitenden Werkstoff abhängig. Im Folgenden finden Sie Bereiche und die zugehörigen Abwägungen:

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der die Schneidkante relativ zum Werkstück bewegt wird. Sie wird in Metern pro Minute (m/min) angegeben.

• Bereich für Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt (Si > 10 %): 1.000 bis 3.000 m/min
• Bereich für weichere Nichteisenmetalle (Aluminium mit niedrigem Si, Kupfer, Messing): 2.000 bis 5.000 m/min
• Abwägungen: Höhere Schnittgeschwindigkeiten reduzieren die Bearbeitungszeit und führen zu einer besseren Oberflächenqualität. Sie erfordern jedoch eine höhere Spindeldrehzahl und können zu höheren Temperaturen führen, die den oxidativen Verschleiß beschleunigen. Für die Bearbeitung mit hoher Schnittgeschwindigkeit eignen sich Maschinen mit Hochgeschwindigkeitsspindeln, wie das GA-DV750 (max. 30.000 U/min) oder das GA-VT445 (max. 30.000 U/min).

Vorschub pro Zahn (fz)

Der Vorschub pro Zahn ist die Strecke, um die das Werkstück pro Umdrehung des Werkzeugs und pro Schneidzahn bewegt wird. Er wird in Millimetern pro Zahn (mm/Zahn) angegeben.

• Bereich für Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt: 0,05 bis 0,2 mm/Zahn
• Bereich für weichere Nichteisenmetalle: 0,1 bis 0,3 mm/Zahn
• Abwägungen: Höhere Vorschübe reduzieren die Bearbeitungszeit, führen aber zu höheren Schnittkräften und einer schlechteren Oberflächenqualität. Bei zu hohen Vorschüben kann es zu Kantenbrüchen kommen.

Werkzeuggeometrie

Die Geometrie von PKD- und Diamantwerkzeugen ist optimiert für geringe Reibung und hohe Standzeit:

• Spanwinkel: Positiv (10 bis 25 Grad) für weichere Werkstoffe, um die Schnittkräfte zu reduzieren. Für abrasive Werkstoffe wird ein etwas kleinerer Spanwinkel (5 bis 15 Grad) gewählt, um die Stabilität der Schneidkante zu erhöhen.
• Freiwinkel: 5 bis 10 Grad, um Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück zu vermeiden.
• Schneidkantenradius: 0,01 bis 0,05 mm. Ein kleiner Radius reduziert die Schnittkräfte, ein größerer Radius erhöht die Stabilität der Schneidkante.
• Spanbrecher: Für weichere Werkstoffe, um lange Späne zu brechen und die Spanabführung zu verbessern.

Was geht schief: Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Bei der Bearbeitung mit PKD- und Diamantwerkzeugen treten typischerweise folgende Fehler auf:

1. Kantenbruch

   • Erkennung: Plötzlicher Anstieg der Schnittkräfte, schlechte Oberflächenqualität, sichtbare Brüche an der Schneidkante.
   • Ursachen: Zu hohe Vorschübe, zu geringe Stabilität des Werkzeugs oder der Maschine, Stöße beim Einspannen oder während der Bearbeitung.
   • Behebung: Reduzieren des Vorschubs, Erhöhen der Stabilität (z. B. kürzere Werkzeughalter, bessere Einspannung des Werkstücks), Anpassen der Werkzeuggeometrie (größerer Schneidkantenradius).

2. Oxidativer Verschleiß

   • Erkennung: Allmählicher Anstieg der Schnittkräfte, Abnahme der Oberflächenqualität, Verfärbung der Schneidkante (braun bis schwarz).
   • Ursachen: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, unzureichende Kühlung.
   • Behebung: Reduzieren der Schnittgeschwindigkeit, Verbessern der Kühlung (z. B. Hochdruckkühlung, Kühlmittel mit hohem Schmieranteil).

3. Aufbauschneide

   • Erkennung: Schlechte Oberflächenqualität, unregelmäßige Schnittkräfte, sichtbare Ablagerungen an der Schneidkante.
   • Ursachen: Zu niedrige Schnittgeschwindigkeit, unzureichende Kühlung, zu großer Spanwinkel.
   • Behebung: Erhöhen der Schnittgeschwindigkeit, Verbessern der Kühlung, Anpassen der Werkzeuggeometrie (kleinerer Spanwinkel).

4. Abriss der PKD-Schicht

   • Erkennung: Plötzlicher Ausfall des Werkzeugs, starke Beschädigung der Schneidkante.
   • Ursachen: Schlechte Haftung der PKD-Schicht auf der Hartmetallgrundlage, zu hohe mechanische Belastung.
   • Behebung: Verwendung von hochwertigen PKD-Werkzeugen mit guter Haftung, Reduzieren der mechanischen Belastung.

Ehrliche Einschränkungen: Wo dieses Material oder dieser Prozess eine schlechte Wahl ist

PKD- und Diamantwerkzeuge sind nicht für alle Anwendungen geeignet. Im Folgenden finden Sie die wichtigsten Einschränkungen:

1. Bearbeitung von eisenhaltigen Werkstoffen: Bei Temperaturen über 400 °C reagiert Diamant mit Eisen und bildet Karbide. Dies führt zu einem extrem schnellen Verschleiß der Schneidkante. Daher sind PKD- und Diamantwerkzeuge nicht für die Bearbeitung von Stahl, Gusseisen oder anderen eisenhaltigen Werkstoffen geeignet.

2. Hohe Werkzeugkosten: PKD- und Diamantwerkzeuge sind um den Faktor 5 bis 20 teurer als vergleichbare Hartmetallwerkzeuge. Dies macht sie unrentabel für kleine Serien oder Anwendungen, bei denen die lange Standzeit von Diamantwerkzeugen nicht genutzt werden kann.

3. Empfindlichkeit gegen Stöße: Insbesondere MKD-Werkzeuge sind empfindlich gegen Stöße und Kantenbrüche. Dies macht sie ungeeignet für raue Bearbeitungsbedingungen, wie z. B. die Bearbeitung von Werkstücken mit harten Einlagerungen oder unterbrochenen Schnitten.

4. Begrenzte Nachschleifbarkeit: PKD-Werkzeuge können nur wenige Male nachgeschliffen werden, da die PKD-Schicht relativ dünn ist (meist 0,5 bis 2 mm). Nach dem Nachschleifen kann die Standzeit des Werkzeugs abnehmen.

5. Anforderungen an die Maschine: Die hohen Schnittgeschwindigkeiten erfordern Maschinen mit Hochgeschwindigkeitsspindeln und hoher Genauigkeit. Maschinen mit niedrigen Spindeldrehzahlen (z. B. das GA-GF2517 mit max. 6.000 U/min) sind nicht für die Bearbeitung mit PKD- und Diamantwerkzeugen geeignet.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Arbeitsgangs

Bevor Sie mit der Bearbeitung beginnen, überprüfen Sie folgende Punkte:

1. Werkzeugauswahl: Wählen Sie ein PKD- oder MKD-Werkzeug, das für den zu bearbeitenden Werkstoff geeignet ist. Für abrasive Werkstoffe eignet sich PKD, für Anwendungen mit höchster Oberflächenqualität MKD.
2. Maschinenkompatibilität: Stellen Sie sicher, dass die Maschine die erforderliche Spindeldrehzahl und Genauigkeit bietet. Für Schnittgeschwindigkeiten über 2.000 m/min eignen sich Maschinen wie das GA-DV750 oder das GA-VT445.
3. Einspannung: Spannen Sie das Werkstück und das Werkzeug sicher ein, um Stöße und Vibrationen zu vermeiden. Verwenden Sie hochpräzise Werkzeughalter.
4. Kühlung: Stellen Sie eine ausreichende Kühlung sicher. Verwenden Sie Kühlmittel mit hohem Schmieranteil und, falls möglich, Hochdruckkühlung.
5. Parameteranpassung: Passen Sie die Schnittgeschwindigkeit und den Vorschub an den Werkstoff an. Beginnen Sie mit niedrigeren Werten und erhöhen Sie diese schrittweise, um Fehler zu vermeiden.
6. Werkzeugüberprüfung: Überprüfen Sie die Schneidkante vor jedem Einsatz auf Beschädigungen oder Verschleiß.

FAQ

1. Frage: Lohnt sich der Einsatz von PKD-Werkzeugen für kleine Serien? Antwort: In der Regel nicht. PKD-Werkzeuge sind um den Faktor 5 bis 20 teurer als Hartmetallwerkzeuge. Ihre hohe Standzeit macht sie nur rentabel für große Serien oder Anwendungen, bei denen die hohe Präzision und Oberflächenqualität von Diamantwerkzeugen erforderlich ist.

2. Frage: Können PKD-Werkzeuge nachgeschliffen werden? Antwort: Ja, aber nur wenige Male. Die PKD-Schicht ist relativ dünn (meist 0,5 bis 2 mm). Nach dem Nachschleifen kann die Standzeit des Werkzeugs abnehmen, da die Kristallstruktur der Schneidkante verändert wird.

3. Frage: Welche Gree-Maschinen eignen sich für die Bearbeitung mit PKD-Werkzeugen? Antwort: Maschinen mit Hochgeschwindigkeitsspindeln und hoher Genauigkeit, wie das GA-DV750 (max. 30.000 U/min, Genauigkeit 0,003 mm), das GA-VT445 (max. 30.000 U/min, Genauigkeit 0,008 mm) oder das GA-UHD500 (max. 12.000 U/min, Genauigkeit 0,006 mm). Maschinen mit niedrigen Spindeldrehzahlen sind nicht geeignet.

4. Frage: Warum brechen PKD-Werkzeuge manchmal bei unterbrochenen Schnitten? Antwort: PKD-Werkzeuge sind empfindlich gegen Stöße, die bei unterbrochenen Schnitten auftreten. Die zufällig ausgerichteten Diamantkristalle können bei hohen mechanischen Belastungen brechen. Für unterbrochene Schnitte eignen sich spezielle PKD-Werkzeuge mit verstärkter Schneidkante oder, falls möglich, Hartmetallwerkzeuge.

5. Frage: Wie lange hält ein PKD-Werkzeug im Vergleich zu einem Hartmetallwerkzeug? Antwort: Die Standzeit von PKD-Werkzeugen ist um den Faktor 10 bis 100 höher als die von Hartmetallwerkzeugen bei der Bearbeitung von abrasiven Nichteisenmetallen. Bei der Bearbeitung von Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt kann ein PKD-Werkzeug mehrere tausend Teile bearbeiten, bevor es nachgeschliffen werden muss.

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