HSM von gehärteten Stahlformen: Technologien, Ausrüstung und Schnittparameter

Die Herstellung von Spritzgussformen und Stanzwerkzeugen durchläuft derzeit einen technologischen Wandel. Während vor 10 Jahren noch die Elektroerosionsbearbeitung (EDM) für die Endbearbeitung von gehärtetem Metall als Standard galt, ermöglicht die HSM-Technologie heute Oberflächen mit einer Rauheit von Ra 0,1–0,2 direkt durch spanende Bearbeitung. Dies verkürzt den Produktionszyklus um ein Vielfaches und eliminiert die Schritte des Erodierens und des manuellen Polierens.

Die Bearbeitung von Stählen mit einer Härte von 45–65 HRC stellt jedoch ultimative Anforderungen nicht nur an das Werkzeug, sondern auch an die dynamische Steifigkeit der Maschine. In diesem Artikel analysieren wir die Physik des Prozesses, die Kriterien für die Auswahl der Maschinen und die Feinheiten der Programmierung.

Physik des Prozesses: Warum „schnell“ „kalt“ bedeutet

Das zentrale Paradoxon der HSM liegt in der Wärmeverteilung. Beim konventionellen Fräsen geht ein Großteil der Wärmeenergie in das Werkstück über, was bei gehärteten Stählen kritisch ist – lokales Anlassen oder Mikrorisse sind möglich. Bei hohen Schnittgeschwindigkeiten (über 200–400 m/min für Stahl) und kleinen Spanungsquerschnitten ändert sich der Mechanismus.

Der Effekt der Verringerung der Schnittkräfte tritt ein. Die Verformungsgeschwindigkeit des Metalls wird so hoch, dass das Material in der Schnittzone bereits vor dem Bruch in einen plastischen Zustand übergeht. Das Ergebnis: Über 80 % der Wärme werden mit dem Span abgeführt. Das Werkstück bleibt nahezu kalt und behält seine Formgenauigkeit.

Anforderungen an die Ausrüstung: Dynamik und Dämpfung

Der Übergang zu HSM-Betriebsweisen ist mit veralteten Maschinen nicht möglich. Hohe Beschleunigungen (0,5G – 1,5G) bei häufigem Richtungswechsel verursachen enorme Trägheitskräfte. Wenn das Maschinenbett nicht ausreichend schwingungsdämpfend ist, entstehen auf der Formoberfläche Rattermarken, die alle Bemühungen zunichtemachen.

Kriterien für die Auswahl der Fräsmaschinengruppe

Für Aufgaben des Werkzeugbaus (Mold & Die) sind drei Parameter kritisch: Thermostabilität, Spindeleinheit und die CNC-Steuerung mit Look-Ahead-Funktion (Vorschaubearbeitung). Bei der Betrachtung moderner Fräsmaschinen (vertikal) legen Verfahrenstechniker besonderen Wert auf die Konstruktion des Maschinenbetts (bevorzugt aus Meehanite-Gusseisen) und das Vorhandensein von Direktantrieben an den Achsen, die die bei Riemenantrieben typischen Spielräume ausschließen.

Die Spindel für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl muss nicht nur hohe Drehzahlen (von 12.000 bis 24.000 U/min) bieten, sondern auch über keramische Lager verfügen, die temperaturbeständig sind. Der Rundlauf des Werkzeugs im ausgefahrenen Zustand darf nicht mehr als 2-3 Mikrometer betragen, da sonst die Standzeit von Hartmetallfräsern mit kleinem Durchmesser (0,5 – 2 mm) nur Minuten beträgt.

Zerspanungsstrategien: Trochoidal und Chip Thinning

Bei der Bearbeitung von Materialien mit einer Härte über 50 HRC führt die klassische „Zickzack“- oder „Offset“-Strategie häufig zum Werkzeugbruch aufgrund der abrupten Änderung des Eingriffswinkels des Fräsers. In Ecken und Taschen kann die Belastung Spitzenwerte von bis zu 300% erreichen.

Um dieses Problem zu lösen, werden adaptive Strategien eingesetzt. Die grundlegenden Prinzipien der Bahnplanung für HSC (Hochgeschwindigkeitsbearbeitung):

1. Konstanter Eingriffswinkel. Das Programm regelt automatisch Vorschub und Bahn, sodass der Eingriffswinkel des Fräsers am Material einen bestimmten Wert (üblicherweise 10–40 Grad) nicht überschreitet.
2. Trochoidalfräsen. Die Bewegung des Werkzeugs erfolgt spiralförmig in Nuten. Dies ermöglicht die Nutzung der gesamten Schneidenlänge (bis zur Tiefe von 2-3 Durchmessern), wodurch der Verschleiß gleichmäßig verteilt wird, nicht nur an der Fräserspitze.
3. Sanftes Eintauchen. Der Eintritt ins Material erfolgt nur über einen Bogen oder eine Wendel (Helix), wodurch schlagartige Belastungen beim vertikalen Eintauchen vermieden werden.

Spanverdünnungseffekt

Bei geringen radialen Zustellungen (weniger als 50% des Fräserdurchmessers) ist die tatsächliche Spanungsdicke geringer als der berechnete Vorschub pro Zahn. Um dies zu kompensieren und die Produktivität zu erhalten, wird die CNC-Steuerung oder das CAM-System so eingestellt, dass es einen Spanverdünnungsfaktor (Chip Thinning Factor) nutzt, der den Minutenvorschub vervielfacht.

Ganzheitlicher Ansatz: Die Rolle der Drehbearbeitung

Obwohl Spritzgussformen hauptsächlich mit Fräsen assoziiert werden, erfordert die Herstellung runder formgebender Einsätze, Auswerfer, Buchsen und Führungssäulen einen anderen Ansatz. Der Versuch, Rotationskörper auf einer 3-Achsen-Fräsmaschine mittels Kreisinterpolation herzustellen, führt nicht zur erforderlichen Zylindrizität.

Für solche Aufgaben werden in die technologische Kette der Werkzeugfertigung unbedingt moderne CNC-Drehmaschinen integriert, die mit gehärteten Werkstücken arbeiten können (Hard Turning). Die Verwendung von polykristallinem kubischem Bornitrid (CBN/PCBN) als Schneidstoff ermöglicht es, das Schleifen durch Drehen zu ersetzen, wobei eine Genauigkeit nach ISO-Qualität 6-7 erreicht wird.

Vergleich der Werkzeugmaterialien

Die richtige Wahl des Grundmaterials und der Beschichtung des Schneidwerkzeugs bestimmt die Wirtschaftlichkeit des Prozesses. Betrachten wir die Tabelle der Anwendbarkeit verschiedener Hartmetallsorten für die Bearbeitung des Stahls 1.2344 (H13) nach dem Härten (52 HRC).

Vergleichende Effektivität der Werkzeugmaterialien Typ Material Beschichtung Schnittgeschwindigkeit (Vc), m/min Anwendung Standzeit Feinkörnige Hartmetallsorte TiAlN / AlTiN 120 — 180 Schruppen und Vorschlichten Mittel Ultrafeinkörnige Sorte Si-haltig (nACo) 200 — 350 HSC, Schlichtbearbeitung Hoch Cermet (Metallkeramik) TiN 250 — 400 Super-Finish (Spiegelglanz) Hoch (spröde) CBN (Kubisches Bornitrid) Unbeschichtet / TiAlN 500 — 1200 Bearbeitung von Stählen >60 HRC Maximal

Einfluss von Hilfssystemen und Service

Der Erfolg der Einführung der HSC-Technologie hängt nicht nur von der ‚Hardware‘ ab, sondern auch von der Peripherie. Werkzeugmesssysteme (Lasersensoren) sind zur Überwachung der thermischen Drift und des Verschleißes unbedingt erforderlich. Die Kühlmittelzufuhr muss umgestellt werden: Bei der Bearbeitung gehärteter Stähle ist es oft effizienter, Druckluft oder Ölnebel (MQL) einzusetzen, um einen Thermoschock der Schneidkante zu vermeiden.

Darüber hinaus ist eine qualifizierte technologische Unterstützung bei der Inbetriebnahme wichtig. Anbieter von Maschinen, wie das Unternehmen Promoil, betonen oft, dass der Verkauf einer Maschine nur der Anfang des Weges ist. Eine fundierte Auswahl des Postprozessors, die Schulung der Bediener in den Feinheiten der HSC und ein Technologieaudit ermöglichen es, die Zykluszeit bereits in den ersten Betriebsmonaten um 30-50 % zu reduzieren.

Praktische Empfehlungen zu den Parametern

Beginnen Sie die Bearbeitung einer komplexen Formfläche gemäß einem bewährten Algorithmus:

1. Schruppen. Verwenden Sie Fräser mit Eckenradius (Torusfräser). Diese sind stabiler als Schaftfräser. Lassen Sie ein Aufmaß von 0,3–0,5 mm.
2. Schlichtbearbeitung (Rest Machining). Ein kleinerer Fräser entfernt das Material in den Ecken. Es ist äußerst wichtig, die Werkzeugauskragung im Auge zu behalten – je kürzer, desto steifer.
3. Finish. Kugelfräser. Die Schrittweite (Step-over) sollte minimal sein (0,02 – 0,05 mm), um eine polierte Oberfläche ohne «Riefen» zu erreichen.

Fazit

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von gehärteten Stählen ist die Kombination aus robuster Maschinenausstattung, fortschrittlichen CAM-Strategien und modernen Werkzeugen. Die Integration vertikaler Bearbeitungszentren der High-Performance-Klasse ermöglicht es Werkzeugbaubetrieben, auf langwierige Erodier- und Schlosserarbeiten zu verzichten, wodurch die Genauigkeit erhöht und die Kosten des Endprodukts gesenkt werden.