Werkzeugverschleißüberwachung und -management: Grundlagen, Praxis und Grenzen

Was ist das und welche Eigenschaften sind für die Zerspanung relevant?

Werkzeugverschleißüberwachung und -management beschreibt den systematischen Prozess, den Abbau von Schneidwerkzeugen während der Zerspanung zu messen, zu analysieren und zu steuern. Das Ziel ist es, die Werkzeuglebensdauer optimal auszunutzen, ohne die Qualität des Werkstücks zu beeinträchtigen oder unerwartete Stillstände zu verursachen.

Für die Zerspanung sind drei Kernmerkmale des Prozesses entscheidend:

1. Verschleißvorhersehbarkeit: Unter definierten Bedingungen folgt der Verschleiß einer Werkzeugkante einem vorhersehbaren Muster. Abweichungen von diesem Muster weisen auf Fehler im Prozess hin.
2. Werkstückqualitätsabhängigkeit: Bereits geringe Verschleißgrade können Maßabweichungen, Oberflächenrauheit oder Rissbildung im Werkstück verursachen.
3. Kostenwirksamkeit: Ein zu früher Werkzeugwechsel erhöht die Werkzeugkosten, ein zu später Wechsel führt zu teuren Nacharbeiten oder Ausschuss.

Wie verhält es sich unter dem Werkzeug?

Der Verschleiß entsteht durch die Wechselwirkung zwischen Werkzeugkante, Werkstück und Spänen unter den Bedingungen der Zerspanung: Schnittkräfte, Wärme und Spanbildung.

Schnittkräfte, Wärme und Spanbildung

Beim Zerspanen wirken drei Schnittkräfte auf die Werkzeugkante: die Hauptschnittkraft (senkrecht zur Schnittgeschwindigkeit), die Vorschubkraft (parallel zur Vorschubrichtung) und die Passivkraft (senkrecht zur Werkstückoberfläche). Diese Kräfte erzeugen Druck und Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück. Gleichzeitig entsteht bis zu 90 % der Schnittenergie als Wärme, die sich auf Werkzeug, Werkstück und Späne verteilt. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten erreicht die Temperatur an der Schneidkante bis zu 1200 °C, was die Härte des Werkzeugs verringert und chemische Reaktionen begünstigt.

Die Spanbildung bestimmt zudem die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Span: Bei duktilen Werkstoffen (z. B. Stahl) entstehen langgezogene Späne, die über die Schneidkante gleiten und so die Reibung erhöhen. Bei spröden Werkstoffen (z. B. Gusseisen) entstehen kurze, gebrochene Späne, die die Reibung reduzieren.

Werkzeugverschleißmechanismen

Fünf Hauptmechanismen verursachen den Verschleiß, die oft gleichzeitig auftreten:

1. Abriebverschleiß: Härte Partikel im Werkstück oder in den Spänen schleifen die Werkzeugkante ab. Er dominiert bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten und harten Werkstoffen.
2. Diffusionsverschleiß: Atome aus dem Werkzeugmaterial diffundieren bei hohen Temperaturen in das Werkstück oder die Späne und umgekehrt. Er dominiert bei hohen Schnittgeschwindigkeiten und eisenhaltigen Werkstoffen.
3. Oxidationsverschleiß: Die Werkzeugkante reagiert mit Sauerstoff aus der Luft und bildet weiche Oxide, die abgetragen werden. Er tritt bei mittleren bis hohen Temperaturen auf.
4. Adhäsionsverschleiß: Werkstückmaterial haftet an der Werkzeugkante und reißt bei der Bewegung Teile der Werkzeugoberfläche mit. Er dominiert bei mittleren Schnittgeschwindigkeiten und duktilen Werkstoffen.
5. Thermomechanische Ermüdung: Zyklische Temperaturänderungen (z. B. bei Unterbrechungen wie beim Fräsen) erzeugen Spannungen, die zu Rissen an der Schneidkante führen.

Praktische Parameter: Geschwindigkeiten, Vorschübe, Werkzeuggeometrie und ihre Begründung

Die Wahl der Parameter bestimmt den Verschleißverlauf und die Werkzeuglebensdauer. Jede Einstellung erfordert Abwägungen zwischen Produktivität, Werkzeugkosten und Werkstückqualität.

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Die Schnittgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit der Werkzeugkante relativ zum Werkstück. Sie hat den größten Einfluss auf den Verschleiß:

• Ranges: Für unlegierte Stähle liegt vc zwischen 100 und 300 m/min (Hartmetallwerkzeuge), für Aluminium zwischen 300 und 1000 m/min.
• Begründung und Abwägung: Höhere vc erhöht die Produktivität, beschleunigt aber den Diffusions- und Oxidationsverschleiß. Bei zu niedriger vc dominiert der Adhäsionsverschleiß, der zu unregelmäßigem Verschleiß führt.

Beispiel für Gree CNC-Maschinen: Die GA-DV750 (Vertikalbearbeitungszentrum mit Hochgeschwindigkeits-Elektrospindel, max. 30000 U/min) eignet sich für hohe vc bei Aluminiumbearbeitung. Die GA-MV856 (mit Direktantriebsmechanikspindel, max. 12000 U/min) ist für niedrigere vc bei Stahlbearbeitung ausgelegt.

Vorschub (f)

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

• Ranges: Für Fräsen liegt f pro Zahn zwischen 0,05 und 0,3 mm/Zahn, für Drehen zwischen 0,1 und 0,5 mm/Umdrehung.
• Begründung und Abwägung: Höherer f erhöht die Produktivität, aber auch die Schnittkräfte und den Abriebverschleiß. Bei zu niedrigem f erhöht sich die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück, was den Adhäsionsverschleiß verstärkt.

Werkzeuggeometrie

Die Geometrie der Schneidkante beeinflusst die Schnittkräfte und die Wärmeverteilung:

• Spanwinkel: Ein positiver Spanwinkel reduziert die Schnittkräfte, verringert aber die Stabilität der Schneidkante. Ranges: 5 bis 20 Grad für Stahl, 15 bis 30 Grad für Aluminium.
• Keilwinkel: Ein größerer Keilwinkel erhöht die Stabilität der Schneidkante, erhöht aber die Schnittkräfte. Ranges: 60 bis 75 Grad für Stahl, 45 bis 60 Grad für Aluminium.
• Rundheit der Schneidkante: Eine abgerundete Schneidkante reduziert die Ermüdung, erhöht aber die Reibung. Ranges: 0,02 bis 0,1 mm für Feinbearbeitung, 0,1 bis 0,3 mm für Grobbearbeitung.

Was geht schief? Fehlerarten, Erkennung und Behebung

Unerwarteter Verschleiß oder vorzeitiger Werkzeugausfall hat typische Ursachen, die sich anhand von Symptomen erkennen lassen:

Beispiel: Bei der Bearbeitung von Stahl auf der GA-MV856 führt eine Schnittgeschwindigkeit von über 200 m/min zu übermäßigem Diffusionsverschleiß. Die Lösung ist die Reduzierung der vc auf 150 m/min und die Erhöhung der Kühlmittelmenge.

Ehrliche Grenzen: Wo ist der Ansatz ungeeignet?

Werkzeugverschleißüberwachung und -management haben klare Grenzen, die bei der Planung berücksichtigt werden müssen:

1. Kleinteile und kurze Zyklen: Bei Zykluszeiten unter 1 Minute lohnt sich der Aufwand für die Überwachung oft nicht. Der Kostenaufwand für Sensoren und Auswertung übersteigt die Einsparungen durch optimierte Werkzeugwechsel.
2. Hochpräzise Bearbeitung mit sehr kleinen Toleranzen: Bei Toleranzen unter 0,002 mm reicht die Genauigkeit von gängigen Überwachungssystemen nicht aus. Hier ist eine regelmäßige manuelle Überprüfung der Werkzeuge erforderlich.
3. Unregelmäßige Prozesse: Bei Prozessen mit stark variierenden Werkstoffen oder Geometrien ist der Verschleißverlauf zu unregelmäßig, um zuverlässige Vorhersagen zu treffen.
4. Kleine Maschinen mit begrenzter Leistung: Bei Maschinen mit geringer Spindelleistung (z. B. GA-VT540 mit 5,5 kW Spindelleistung) kann eine zu hohe Schnittgeschwindigkeit zu Spindelüberlastung führen, bevor der Verschleiß kritisch wird. Hier muss die Prozessplanung auf die Maschineneigenschaften abgestimmt werden.

Parameter- und Fehlerbehebungstabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Prozesses

Bevor Sie einen Zerspanungsprozess starten, gehen Sie diese Schritte durch:

1. Werkstoff und Werkzeug auswählen: Passen Sie das Werkzeugmaterial und die Beschichtung an den Werkstoff an (z. B. TiN-Beschichtung für Stahl, unbeschichtetes Hartmetall für Aluminium).
2. Parameter festlegen: Wählen Sie Schnittgeschwindigkeit und Vorschub entsprechend der Werkstoffgruppe und der Maschine aus. Berücksichtigen Sie die Spindelleistung und das Drehmoment der Maschine (z. B. GA-MV856 hat ein maximales Drehmoment von 95,5 Nm, geeignet für hohe Vorschübe bei Stahl).
3. Werkzeug voreinstellen: Messen Sie die Länge und den Durchmesser des Werkzeugs vor der Einrichtung der Maschine. Nutzen Sie die Positioniergenauigkeit der Maschine (z. B. GA-DV750 mit 0,003 mm Positioniergenauigkeit) für präzise Einstellungen.
4. Überwachungssystem konfigurieren: Legen Sie Grenzwerte für Schnittkräfte, Spindelstrom oder Verschleiß fest. Passen Sie die Grenzwerte an die Prozessbedingungen an.
5. Erster Testlauf durchführen: Führen Sie einen Testlauf mit reduzierten Parametern durch und überprüfen Sie die Werkstückqualität und den Verschleiß nach dem Lauf.
6. Parameter anpassen: Erhöhen Sie die Parameter schrittweise, bis die optimale Einstellung erreicht ist. Dokumentieren Sie den Verschleißverlauf für zukünftige Prozesse.

FAQ

1. Wie erkenne ich, wann ein Werkzeug gewechselt werden muss? Es gibt zwei Hauptkriterien: Entweder erreichen Sie einen vordefinierten Verschleißgrad (z. B. 0,2 mm Flankenverschleiß bei Fräswerkzeugen) oder die Werkstückqualität fällt unter die Toleranzgrenzen. Überwachungssysteme messen Schnittkräfte, Spindelstrom oder Vibrationen, um Abweichungen vom Normalzustand zu erkennen.

2. Kann ich die Werkzeuglebensdauer verlängern, ohne die Produktivität zu verringern? Ja, durch die Optimierung der Kühlung (Erhöhen der Kühlmittelmenge oder -druck, Verwendung von Hochdruckkühlung), die Verwendung von beschichteten Werkzeugen und die Anpassung der Werkzeuggeometrie. Beispielsweise reduziert eine TiCN-Beschichtung den Diffusionsverschleiß bei Stahlbearbeitung um bis zu 30 %, ohne die Schnittgeschwindigkeit zu verringern.

3. Welche Gree CNC-Maschinen eignen sich für die Werkzeugverschleißüberwachung? Alle Maschinen eignen sich grundsätzlich, aber Maschinen mit hoher Positioniergenauigkeit und stabilen Spindeln sind besser geeignet. Beispielsweise die GA-DV750 (0,003 mm Positioniergenauigkeit) oder die GA-UHD500 (0,006 mm Positioniergenauigkeit) ermöglichen präzise Messungen des Verschleißes. Maschinen mit geringer Genauigkeit (z. B. GA-FMB3020D mit 0,035 mm Positioniergenauigkeit) sind für Prozesse mit hohen Toleranzen geeignet, aber nicht für hochpräzise Überwachung.

4. Was ist der Unterschied zwischen voreinstellen und überwachen? Voreinstellen ist die Messung der Werkzeugabmessungen vor der Einrichtung der Maschine, um die Position des Werkzeugs genau zu definieren. Überwachen ist die Messung des Verschleißes während des Prozesses, um den Werkzeugwechsel zu steuern. Beide Prozesse ergänzen sich: Voreinstellen reduziert die Einrichtzeit, Überwachen reduziert unerwartete Stillstände.

5. Wie oft sollte ich die Überwachungssysteme kalibrieren? Die Kalibrierung hängt von der Prozessgenauigkeit ab: Bei hochpräzisen Prozessen (Toleranzen unter 0,01 mm) sollten die Systeme monatlich kalibriert werden. Bei Prozessen mit größeren Toleranzen reicht eine Kalibrierung alle drei bis sechs Monate. Zusätzlich sollten Sie die Systeme nach jedem Werkzeugwechsel oder nach Änderungen der Parameter überprüfen.

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