Kleine Anpassungen an Werkzeugen oder Prozessen können in der Zerspanung erhebliche Effekte auf Produktivität, Prozesssicherheit und Standzeit erzielen. Insbesondere in der Feinbearbeitung führen optimierte Werkzeugkonzepte häufig zu messbaren Qualitätssteigerungen und wirtschaftlichen Vorteilen. In diesem Beitrag werden zwei praxisrelevante Beispiele aus der Bohrungsfeinbearbeitung vorgestellt, anhand derer Kennametal durch gezielte konstruktive und prozesstechnische Maßnahmen signifikante Leistungssteigerungen erreichen konnte. Die Fallstudien verdeutlichen, wie konstruktive Leichtbaustrukturen, additive Fertigung sowie eine verbesserte Analyse der Verschleißmechanismen zu neuen Lösungsansätzen führen und bestehende Herausforderungen bei der Bearbeitung moderner Werkstoffe adressieren.
1. Werkstofftrends und ihre Auswirkungen auf die Zerspanung
3D gedruckter Stahlgrundkörper mit hochpräzisen Diamantschneidplatten
In vielen industriellen Bereichen lässt sich ein deutlicher Trend zu Werkstoffen mit gesteigerten mechanischen Anforderungen beobachten. Getrieben durch die notwendige Erhöhung des Produktivitätsfaktors – beispielsweise bei immer größeren Windkraftanlagen oder hochbelasteten Antriebskomponenten – werden Werkstoffe so modifiziert, dass sie höheren Beanspruchungen standhalten. Dies erfolgt etwa durch Vergüten, Härten oder durch gezielte Anpassungen der Legierungsbestandteile. Legierungselemente wie Schwefel verbessern zwar die Spanformbarkeit, da sie das Korngefüge lokal schwächen, doch gleichzeitig führen sie jedoch zu Verringerungen der Streckgrenze. Daraus folgen auch Einschränkungen bei Bauteilen, die hohe Biege- oder Druckbelastungen aufnehmen müssen. Werden solche Elemente reduziert oder entfernt, steigt zwar die mechanische Robustheit, doch verschlechtern sich die Spanformungsbedingungen erheblich. Für Zerspanwerkzeuge bedeutet dies in der Praxis erhöhte Anforderungen an Schneidstoff, Schneidengeometrie und Prozessführung – insbesondere in der Feinbearbeitung, wo Oberflächengüte und Maßhaltigkeit entscheidend sind. Ungünstiger Spanfluss führt hier schnell zur Schädigung der erzeugten Oberfläche.
2. Herausforderungen bei Stufenwerkzeugen in der Bohrungsbearbeitung
Stufenwerkzeuge in der Bohrungsbearbeitung stehen vor dem Problem, dass mehrere Bearbeitungsstufen gleichzeitig Späne erzeugen, welche sich gegenseitig beeinflussen und behindern können. Gerade wenn die Bearbeitungsdurchmesser sich stark unterscheiden, liegen bei identischer Drehzahl unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten an. Diese Unterschiede wirken sich direkt auf die Temperatur im Zerspanungsprozess aus: Zu hohe Temperaturen begünstigen Fließspanbildung und thermischen Verschleiß des Schneidstoffs; zu niedrige Temperaturen führen zu Aufbauschneidenbildung oder mechanischer Überlastung. Wird die Schnittgeschwindigkeit nicht exakt an die Prozessbedingungen angepasst, treten vorzeitige Verschleißerscheinungen oder Werkzeugbrüche auf.
Für die Bearbeitung desvon Aluminium-Statorsgehäuses eines Elektromotors stellte sich deshalb die Frage, wie ein Werkzeugkonzept gestaltet sein muss, um einerseits mehrere Durchmesser präzise zueinander zu fertigen, und andererseits die Belastungsgrenzen der Maschinenwerkzeugschnittstelle einzuhalten.
3. Leichtbau- und Additivkonzepte zur Reduktion des Kippmoments
Ein Schlüsselfaktor in der Werkzeugentwicklung war das zulässige Kippmoment der HSK-Schnittstelle. Konventionell aus dem Vollen gefertigte Werkzeuge erreichen hier schnell kritische Werte durch das Eigengewicht. Dies ist besonders zu merken, wenn mehrere große Durchmesser gleichzeitig bearbeitet werden. Durch eine Kombination aus CFK-Leichtbaustrukturen und additiver Fertigung von metallischen Komponenten konnte eine Gewichtsreduktion von circa 15 kg zu unter 8 kg erreicht werden. Dadurch kann das generierte Kippmoment reduziert werden bei gleichzeitigem Beibehalten der notwendigen Steifigkeit für die Zerspanung reduziert werden. (siehe Abbildung 1).
Abbildung 1 Stator Werkzeug Leichtbau inklusive 3D Druck
Die 3D-gedruckten Halterungen für die Wendeschneidplatten wurden aerodynamisch optimiert und in tragflächenähnlicher Form gestaltet. Diese Geometrien verbessern den Spanabtransport signifikant und verhindern Rückstau sowie unkontrollierten Spanfluss. Zusätzlich ermöglicht die additive Fertigung die Integration komplexer interner Kühlkanäle, die in konventionellen Fertigungsprozessen nicht herstellbar wären. Dies führt zu einer verbesserten Wärmeabfuhr und verlängert die Standzeit der Schneidstoffe. In einer weiterführenden Entwicklungsstufe wurde das Werkzeug um eine bionische Struktur ergänzt, die das Gewicht nochmals reduzierte, ohne Steifigkeit zu verlieren. Das in Abbildung 2 gezeigte Werkzeug wurde für seine innovative Kombination aus Leichtbau und additiver Fertigung mit dem bronzenen Edison Award ausgezeichnet.
4. Verschleißmechanismen bei Vollhartmetallreibahlen
Abbildung 2 Stator Werkzeug komplett 3D gedruckt
Abbildung 3 VHM-Reibahlenzahn mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit nach 68 Schnittmetern
Da Feinbearbeitungsprozesse meist am Ende der Fertigungskette stehen, ist ihr Optimierungspotenzial besonders hoch, gleichzeitig jedoch schwer umzusetzen. Eine zentrale Möglichkeit zur Steigerung der Wirtschaftlichkeit liegt in der gezielten Verlängerung der Standzeit. Grundlage hierfür ist die detaillierte Analyse der Verschleißmechanismen. Bei konventionellen Vollhartmetallreibahlen mit konstantem Vorschub tritt typischerweise eine ausgeprägte Vorschubkerbe auf (Abbildung 3). Sie entsteht in dem Bereich, in dem der vorhergehende Zahn das Randgefüge des Materials bereits beeinflusst hat. Diese Zone weist eine erhöhte Härte auf und führt zu lokal erhöhtem Verschleiß an Hartmetall und Beschichtung. Dies ist mehrfach wissenschaftlich belegt, u. a. durch Schmier (2004) und durch die Grundlagen der Energieeinbringung im Zerspanprozess nach Tönshoff. Die Vorschubkerbe bestimmt häufig das Standzeitende durch negative Beeinflussung der Oberflächenqualität.
5. Standzeitsteigerung durch variable Vorschubbewegung
Durch eine Veränderung der Vorschubstrategie lässt sich die punktuelle Belastung auf der Nebenschneide reduzieren. Wird der Vorschub pro Zahn nicht konstant gehalten, sondern in Form einer konstanten Beschleunigung variiert, verteilt sich die Belastung auf einen größeren Bereich der Schneide. Abbildung 4 zeigt das deutlich veränderte Verschleißbild nach 68 Schnittmetern im Vergleich zum konstanten Vorschub (Abbildung 3).
Abbildung 4 Reibahlen Zahn - Konstante Beschleunigung
Wichtig ist, dass diese Verbesserung weder Durchmesser noch Oberflächenqualität beeinträchtigt. Die geometriebestimmende Hauptschneide ist für den Durchmesser verantwortlich, während die Oberflächenqualität primär durch Schnittkeilgestaltung, Spanformung und Temperaturverlauf bestimmt wird. In einer Versuchsreihe auf der Maschine Chiron FZ12, mit den Stirnnutanschliff-Reibahlen KRS105A100000H7 (Abbildung 5), in Grauguss mit einer Vorbohrung von 9,8 mm, einer Schnittgeschwindigkeit von 150 m/min und einem Standardvorschub von 0,72 mm/U zeigte sich, dass die Reibahle mit konstantem Vorschub nach 700 Bohrungen verschlissen war, während die Reibahle mit konstant beschleunigtem Vorschub die Verschleißgrenze noch nicht erreicht hatte. Ähnliche positive Ergebnisse ergaben Untersuchungen in 42CrMo4. Die Übertragung dieses Prinzips auf Vorbohrwerkzeuge wird aktuell weiter erforscht.
Abbildung 5 Reibahle mit Stirnnutanschliff KRS105A10000H7
Abbildung 6 Durchmesserverlauf in EN-GJS-400-15
6. Zusammenfassung und Ausblick
Die Beispiele zeigen, dass innovative Werkzeugkonzepte – sei es durch Leichtbau, additive Fertigung oder intelligente Vorschubstrategien – erhebliche Potenziale zur Optimierung von Standzeit, Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit bieten. Weitere aktuelle Entwicklungen, darunter ein erstmals additiv verarbeitbares Hartmetall von Kennametal, werden auf der Tiefbohr- und Präzisionstagung des VDI Wissensforums in Wien vorgestellt.
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Über den Autor
Felix Hermann, geboren 1995 in Bamberg, absolvierte 2016 seine Ausbildung zum Industriemechaniker für Produktionstechnik bei Kennametal mit Auszeichnung des Freistaates Bayern. Nach Tätigkeiten in Fertigung, Forschung und Entwicklung übernahm er 2020 als Produkt Engineer die Verantwortung für Versuchsreihen und Feldtests in der Global Machining Technology. Parallel schloss er 2021 die Weiterbildung zum staatlich geprüften Techniker ab und studiert seit 2024 berufsbegleitend Master in Zuverlässigkeitsingenieurwesen an der Hochschule Darmstadt.
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Quellen
[1] Schmier, M.: Randzonenveränderung beim Bohren und ihre Auswirkung auf Folgebearbeitungsverfahren, Dissertation, Universität Kassel Fachbereich Maschinenbau, Kassel, 2004
[2] Denkena, B.; Tönshoff, H. K.: Spanen – Grundlagen, 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 2011