Edelstahlbearbeitung

Kühlung für die Bohrer

Veredelter Stahl erfordert andere Werkzeuge für die Zerspanung. Beim Bearbeiten von Edelstahl ist besondere Sorgfalt bei der Auswahl der Bearbeitungswerkzeuge angesagt.

Xtop-Maschinengewindebohrer: Vier Kanäle kühlen die Schneide des Bohrers. (Foto: Wexo)

Rostfreier Stahl, auch Edelstahl, Inox oder VA-Stahl genannt, kommt heute vor allem dort zum Einsatz, wo Langlebigkeit, Hitzebeständigkeit, hohe Rost- und Säurebeständigkeit, aber auch hohe hygienische Ansprüche, etwa in der Medizintechnik, im Armaturenbau oder in der Lebensmittelindustrie zu erfüllen sind. Die Auswahl des Werkstoffes für ein zu fertigendes Bauteil richtet sich vor allem nach seinen Werkstoffeigenschaften, die man in zwei Gruppen unterteilt. Zum einen die chemischen Eigenschaften, welche das Verhalten gegenüber chemischen Reaktionen durch Einwirkung von Luft, Wasser oder Säuren beeinflussen, zum Beispiel beim Rosten von Stahl. Zum anderen die physikalischen Eigenschaften, welche in mechanische, thermische und elektrische Eigenschaften aufgeteilt werden. Um oben genannten Ansprüchen zu genügen, müssen die verwendeten Stähle mit entsprechenden Legierungselementen wie Chrom, Nickel, Molybdän, Wolfram oder Vanadium veredelt werden. Der daraus resultierende Nachteil ist, dass die gesteigerten Legierungsanteile die Eigenschaften des Werkstoffes aus Sicht der Zerspanung zum Negativen verändern.

Gewinde machen Probleme
Auch aufgrund ihrer Duktilität sind rostfreie Stähle schwer zu bearbeiten und führen gerade bei der Gewindefertigung häufig zu Problemen. Bereits beim Bohren des Kernloches wird der Spiralbohrer auf eine harte Probe gestellt. Zum einen neigt rostfreier Stahl zum Klemmen, was vor allem beim Ausfahren aus der Bohrung vermehrte Reibungstemperaturen erzeugt. Zum anderen lässt sich der Span deutlich schlechter brechen als zum Beispiel in Werkzeugstahl. Hinzu kommt, dass rostfreier Stahl zum Kleben neigt und ein schlechter Wärmeleiter ist. Beides führt schnell zum Verschleiß an der Werkzeugschneide. Um den Verschleiß möglichst zu verringern, ist die gewählte Schnittgeschwindigkeit (Vc) hier deutlich geringer als in anderen Stahlwerkstoffen. Meist liegt diese für einen marktüblichen Spiralbohrer aus VHM zwischen 30 und 60 Metern pro Minute.

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Wexo Präzisionswerkzeuge hat einen speziell auf die Bearbeitung von rost- und säurebeständigen Stählen abgestimmten Spiralbohrer entwickelt, um neben Prozesssicherheit auch eine wirtschaftlichere Bearbeitung zu ermöglichen. Der neue XTop-Spiralbohrer XS5DIKTAZ-HM hat ab dem Durchmesser 3,8 Millimeter vier innere Kühlkanäle – zwei davon sind zentrumsnah angeordnet –, durch die nicht nur die Temperatur an der Schneide deutlich reduziert wird, sondern auch der Spänetransport aus der Bohrung optimal gewährleistet ist. Zusätzlich wurde eine neue Titan-Aluminium-Zirkonium-Nitrid Schicht aufgebracht, welche neben guten Gleiteigenschaften, hohe Verschleißfestigkeit und Temperaturbeständigkeit miteinander kombiniert. Durch die gute Gleiteigenschaft und der zusätzlich noch polierten Schicht werden Materialaufklebungen vermieden und ebenfalls der Spänetransport unterstützt. Auch neigt rostfreier Stahl wegen seiner schlechten Wärmeleitfähigkeit dazu, bei der Bearbeitung in der Randschicht aufzuhärten. Dies kann vermieden werden, indem Kühlung optimiert und Reibung minimiert werden. Beides wird durch den XTop-Spiralbohrer umgesetzt.

Die Multilayerschicht mit Gleit-Deckschicht verbessert den Spänetransport. (Foto: Wexo)

Somit können nun Schnittgeschwindigkeiten von 50 bis mindestens 80 Meter pro Minute realisiert werden, und das bei deutlich höheren Standwegen. Ein Einsatzbeispiel im direkten Vergleich: Ein Endverbraucher bearbeitet 1.4571 und muss hier Durchgangsbohrungen (D = 6,8 Millimeter; T 30 Millimeter) erzeugen. Bisher verwendete er einen Standard-VHM-Spiralbohrer mit Tiain-Beschichtung bei Vc = 40 m/min; f = 0,11 Millimeter/U und einem Standweg von circa 800 Bohrungen. Der XS5DIKTAZ-HM von Wexo wurde (Vc = 75 m/min; f = 0,11 Millimeter/U) eingesetzt und zeigte nach 1.250 Bohrungen nur sehr wenig Verschleiß. Dieses Beispiel zeigt, dass auch bei schwierig zerspanbaren Materialien Prozesse optimiert werden können und in einem global hart umkämpften Markt Produkte schneller und wirtschaftlicher hergestellt werden können. Der Xtop-Spiralbohrer eignet sich zudem für die Bearbeitung von Titan, Inconel, Hastelloy oder Werkzeugstahl.

Rettung nicht immer möglich
Ebenfalls ein Problem in rostfreien Stählen ist das Gewindeschneiden. Meist eine Operation, welche erst weit am Ende des Fertigungsprozesses steht, wobei bis dahin bereits entsprechend hohe Fertigungskosten angefallen sind. Bei Werkzeugbruch muss nun mühsam versucht werden, das Bauteil noch „zu retten“ und in einigen Fällen ist selbst das nicht mehr möglich. Gerade bei der Bearbeitung von Grundlochgewinden kommt es sehr häufig zu Werkzeugbruch durch Spanklemmer. Im Gegensatz zu einem Durchgangsgewinde, wo die Späne nach vorne abgeführt werden, wird der Span hier entgegen der Schneidrichtung aus dem Loch geführt. Im Rücklauf kann das Werkzeug dann durch Spanklemmer brechen. Grundsätzlich ist es bei rostfreien Stählen schwierig, den Spanbruch am Umkehrpunkt herbeizuführen. Da der Werkstoff eine hohe Duktilität aufweist, haben hier selbst viele Gewindebohrer, die für schwer zerspanbare Materialien ausgelegt sind, ein Problem.

Der Pulverstahl-Gewindebohrer der Xtop-Serie wurde daher im Anschnitt und im Hinterschliff mit einer neuen Geometrie ausgestattet, die speziell auf die Bearbeitung von rost- und säurebeständigen sowie hochlegierten Stählen ausgelegt ist und deren hohe Zähigkeit ausgleicht. Die auftretenden Drehmomente konnten beim Anschneiden und am Umkehrpunkt reduziert werden. Die minimale Reibung wirkt sich positiv auf die Oberflächengüte und die Lehrenhaltigkeit aus und sorgt für deutlich höhere Prozesssicherheit. Da der Gewindebohrer nicht nur einen angepassten Hinterschliff, sondern auch einen Drallwinkel von 50 Grad hat, kann der Span auch bei besonders tiefen Grundlochgewinden optimal geführt und im Rücklauf problemlos abgeschert werden. Dabei sind Gewindetiefen bis 3xD realisierbar. Unterstützt wird dies durch die HL-Beschichtung des Werkzeuges. Dabei handelt es sich um eine Multilayerschicht mit hoher Verschleißfestigkeit und guten Gleiteigenschaften. Als Grundlage dient hier eine Titan-Aluminium-Nitrid-Schicht (Tiain, circa 2.600 HV) mit einer Gleitdeckschicht aus Wolfram-Carbon (WC-C, circa 1.000 HV). Der Reibwert gegen Stahl konnte so um die Hälfte (auf einen Reibwert von 0,2) reduziert werden.

In einem Betrieb mit Serienfertigung wurden im Werkstoff 1.4301 Grundlochgewinde M6 14 Millimeter tief bei einer Schnittgeschwindigkeit von Vc = 12 Meter pro Minute gefertigt. Unter dem Einsatz einer achtprozentigen Emulsion als Kühlschmierstoff erzielte der Xtop-Gewindebohrer XC50HL-PM eine um 28 Prozent höhere Standmenge als das bisherige Wettbewerbswerkzeug. Auch hier konnte die neue Bohrerserie dem Kunden eine prozess-sichere und wirtschaftlichere Alternative bieten. Darüber hinaus ist der Gewindebohrer aufgrund der guten Gleiteigenschaften der Beschichtung universell einsetzbar. Neben rostfreien Stählen eignet er sich ebenso für Hastelloy, Vergütungs- und Werkzeugstahl sowie beispielsweise auch für Guss, niedriglegierte Stähle oder NE-Werkstoffe.

Björn Hamel/bw

Intec, Halle 5, Stand C46

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