Leitfaden für Drehwerkzeuge: Was Sie über Werkzeuge wissen müssen

Drehmaschinenwerkzeuge sind ein umfangreiches Thema mit vielen Facetten. Ein geeignetes Werkzeugsystem sorgt für Produktionseffizienz, hohen Durchsatz, bessere Oberflächengüte, kurze Rüstzeiten und Kosteneffizienz. Die Wahl des Werkzeugs hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem zu bearbeitenden Material, dem Bearbeitungsvorgang, der Vorschubrichtung, der zu bearbeitenden Form und den Maschinenfunktionen. Werfen wir einen genaueren Blick darauf.

Was ist das Werkzeug für eine Drehbank?

Die Herstellung von Drehmaschinenwerkzeugen ist ein subtraktives Fertigungsverfahren, bei dem Material schrittweise abgetragen wird, um die gewünschte Form zu erhalten. Es umfasst verschiedene Arbeitsschritte wie Schneiden, Plandrehen, Drehen, Bohren, Ausbohren und Rändeln. Die Drehmaschine kann manuell oder CNC-gesteuert (Computerized Numerical Control) sein. Eine CNC-Drehmaschine muss mit CAD-Software konstruiert und die Werkzeugwege mit CAM-Software (Computer Aided Manufacturing) erstellt werden. In beiden Fällen ist die Werkzeugauswahl entscheidend für eine effiziente Produktion. Die Arten von Drehwerkzeugen variieren stark. Die Auswahl der Drehwerkzeuge hängt von verschiedenen Faktoren wie Werkstückmaterial, Vorschub und Geschwindigkeit, Vorschubrichtung, Drehvorgängen usw. ab.

Wie werden die Arten von Drehwerkzeugen klassifiziert?

• Kategorie 1:Drehwerkzeuge basierend auf dem Material: (z. B. Schnellarbeitsstahl (HSS), Hartmetall, Keramik, CBN, PCD)
• Kategorie 2:Drehwerkzeuge basierend auf Vorgängen: (z. B. Drehwerkzeuge, Plandrehwerkzeuge, Bohrwerkzeuge, Abstechwerkzeuge, Gewindewerkzeuge, Nutwerkzeuge, Rändelwerkzeuge, Bohrwerkzeuge usw.)
• Kategorie 3:Drehwerkzeuge basierend auf der Vorschubrichtung: (z. B. Linkshänderwerkzeuge, Rechtshänderwerkzeuge, Neutralwerkzeuge)
• Kategorie 4:Drehwerkzeuge basierend auf der Struktur: (z. B. Vollwerkzeuge, gelötete Werkzeuge, Einsatzwerkzeuge, modulare Werkzeuge usw.)

Der folgende Videolink dient als grundlegende Richtlinie zur Klassifizierung von Schneidwerkzeugen:

Vorteile der Wahl des richtigen Werkzeugs

Durch die richtige Auswahl der Werkzeuge können Sie die folgenden Vorteile erzielen:

• Reduzierte Ausschussproduktion durch weniger Ausschuss
• Einsparung von Arbeitskosten durch weniger häufigen Anpassungsbedarf der Einstellungen
• Hohe Präzision durch geringere Maßfehler und engere Toleranzen.
• Weniger Werkzeugverschleiß durch eine gute Abstimmung der Eigenschaften von Werkzeug und Werkstück.

Typ 1 - Drehwerkzeuge nach Materialien und ihren Eigenschaften

Drehwerkzeuge bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Jedes Material bietet seine Vorteile und Nachteile. Die Wahl der Drehwerkzeuge hängt von Faktoren wie Werkstückmaterial, Werkzeugkosten, Drehzahlanforderungen und Toleranzen ab. Bei manchen Arbeiten ist Qualität wichtiger als Kosten, daher können teure Werkzeuge eingesetzt werden und umgekehrt. Daher kann der Schneidprozess von Drehwerkzeugen optimiert werden, indem bei der Auswahl der richtigen Schneidwerkzeugmaterialien Kosten und Qualität gegeneinander abgewogen werden. Die folgende Tabelle vergleicht die gängigen Materialien für Schneidwerkzeuge.

Schnellarbeitsstahl (HSS)

Traditionell ist HSS aufgrund seiner geringen Kosten, der einfachen Handhabung sowie der Schleif- und Umformbarkeit das am häufigsten verwendete Material für Drehwerkzeuge. Aufgrund seiner geringen Hitzebeständigkeit und des mit der Zeit einsetzenden Schärfeverlusts ist es jedoch möglicherweise nicht für Hochgeschwindigkeits- und Präzisionsanwendungen wie die CNC-Bearbeitung geeignet.

Hartmetalleinsätze

Hartmetalleinsätze eignen sich ideal für Werkstücke mittlerer Härte, wie beispielsweise 4140-Legierungen. Sie erreichen problemlos Schnittgeschwindigkeiten von 200 m/min bei Legierungen mit einer Härte von ca. 30–35 HRC. Diese Schneidwerkzeuge lassen sich bei Bedarf flexibel austauschen. Ihre Hitzebeständigkeit ist gut, der einzige Nachteil ist jedoch, dass Hartmetalleinsätze teurer sind als HSS-Einsätze. Zudem sind sie spröde.

Superharte Optionen: CBN, PCD, Keramik

Die Einführung moderner Materialien wie Inconel, Titan oder Haste-Legierungen in der CNC-Bearbeitung erforderte den Einsatz moderner Werkzeugmaterialien für die Zerspanung. Kubisches Bornitrid (CBN), polykristalliner Diamant (PKD) und Keramikwerkzeuge sind nur einige Beispiele. Diese harten Materialien sind zwar teuer, bieten aber selbst bei hohen Temperaturen außergewöhnliche Schnittgeschwindigkeiten im Bereich von 800–1000 m/min und gewährleisten gleichzeitig eine hervorragende Oberflächengüte und enge Toleranzen.

Typ 2 - Drehwerkzeuge basierend auf Vorgängen

Neben den Materialien der Schneidwerkzeuge sind auch die Drehbearbeitungen ein wichtiges Kriterium bei der Werkzeugauswahl. Jede Bearbeitung erfordert eine Reihe von Konstruktionsmerkmalen, die die Aufgabe optimieren. Spanwinkel, Spitzenradius, Vorschübe und Drehzahlen sowie die Form des Werkzeugs werden angepasst, um verschiedene Drehbearbeitungen zu ermöglichen. Die folgende Tabelle zeigt die wichtigsten Merkmale von Schneidwerkzeugen für verschiedene Drehbearbeitungen:

Dreh- und Schruppwerkzeuge

Dreh- und Schruppbearbeitungen erfordern tiefere Schnitte von 2–6 mm für einen schnelleren Materialabtrag. Späne neigen oft dazu, sich im Werkzeug zu verfangen. Daher werden häufig Spanbrecher eingesetzt. Sie tragen auch dazu bei, die Erwärmung der Drehmeißel am Werkstück zu minimieren.

Schlicht- und Plandrehwerkzeuge

Beim Schlichten und Plandrehen liegt der Schwerpunkt auf der Oberflächengüte und nicht auf der Materialabtragsrate (MRR). Daher wird häufig ein großer Eckenradius von 0.4–0.8 verwendet. Obwohl die MRR langsam bleibt, reduziert sie die Gratbildung auf der Oberfläche und sorgt für eine gute Oberflächengüte.

Gewindelösungen

Für kleinere Stückzahlen ist ein Einschneidgewindewerkzeug ausreichend. Für die Massenproduktion sind jedoch Einlegeeinsätze mit vorgeformtem Profil wünschenswert.

Nut- und Abstechklingen

Die Stech- und Abstechklingen sind oft sehr dünn und neigen zur Verformung. Hartmetalleinsätze erweisen sich hier als besser als Metallwerkzeuge. Ein reichlicher Kühlmittelfluss ist notwendig, um die Wärme vom Werkzeug und der Spanzone abzuleiten.

Form-, Radius- und Kegelwerkzeuge

Diese Vorgänge können auch mit normalen Schneidwerkzeugen durchgeführt werden. Spezielle, individuell geschliffene Werkzeuge mit einem bestimmten Profil helfen jedoch, Zeit zu sparen und die Genauigkeit zu verbessern.

Haltesysteme und Werkzeughalter-Grundlagen

Haltesysteme für Schneidwerkzeuge variieren von Maschine zu Maschine. Die Wahl hängt von den Toleranzanforderungen, der Maßgenauigkeit und der Oberflächengüte ab. Moderne CNC-Maschinen verwenden hochsteife Revolverblöcke, während ältere Drehmaschinen Schnellwechselvorrichtungen verwenden. Ausfallzeiten und die Notwendigkeit häufiger Werkzeugwechsel spielen daher ebenfalls eine Rolle.

Schnellwechselpfosten vs. Revolverblöcke

Wie der Name schon sagt, sind Schnellwechselhalter äußerst effektiv, um Rüstzeiten zu verkürzen. Sie sind häufig in manuellen Drehmaschinen zu finden. Revolverblöcke hingegen sind Standard bei modernen CNC-Maschinen. Sie bieten eine höhere Steifigkeit, geringeres Rattern und mehr Flexibilität bei der Mehrachsenbearbeitung.

Klemm- vs. Schraubverriegelungs-Einsatzhalter

Klemmhalter bieten im Vergleich zu Schraubklemmhaltern eine höhere Steifigkeit. Klemmhalter können somit ein deutlich höheres Drehmoment im Bereich von 20–30 Nm bewältigen. Schraubklemmhalter hingegen können nur 6–10 Nm bewältigen, bieten aber vergleichsweise kurze Rüstzeiten.

Starter-Werkzeugsätze

Maschinisten sollten die folgenden Werkzeuge als Teil eines Starter-Werkzeugsatzes bei der Drehbank aufbewahren:

1. Schnellwechsel-Werkzeughalter-Kit-100-250 $
2. Wendeschneidplatten-Drehmeißelsatz-80-150 $
3. Langweiliges Stangenset-50-120 $

Typ 3 - Drehmaschinenwerkzeuge basierend auf der Vorschubrichtung

Neben Werkzeugmaterialien und Bearbeitungsvorgängen ist auch die Vorschubrichtung ein wichtiges Kriterium bei der Wahl der Vorschubrichtung. In dieser Kategorie der Werkzeugparameter ändert sich die Werkzeugform je nach Drehwerkzeugwinkel, Schneidkantenrichtung und der Einbindung spezieller Merkmale wie V-Nuten, Fasen usw.

Spanwinkel, Freiwinkel und Freiwinkel

Der Spanwinkel kann je nach Vorschubrichtung und Platzverhältnissen positiv, negativ oder neutral sein (siehe Abbildung). Positive Spanwinkel werden am häufigsten verwendet. Ein negativer Spanwinkel würde die Schneide schwächen, kann aber unter bestimmten Bedingungen wünschenswert sein.

Freiwinkel und Freiwinkel haben viele Gemeinsamkeiten und werden manchmal synonym verwendet. Der Freiwinkel bestimmt, wie weit die Werkzeugoberfläche über der frisch bearbeiteten Werkstückoberfläche liegt. Er verhindert unnötigen Werkzeugverschleiß und Beschädigungen der Werkstückoberfläche.

Rechtshänder- vs. Linkshänder- vs. Neutralwerkzeuge

Der gängigste Werkzeugtyp in der CNC-Bearbeitung ist das Rechtswerkzeug. Es schneidet in Richtung Spannfutter. Bei Platzmangel auf der rechten Seite kann jedoch ein Linkswerkzeug verwendet werden. Ein Neutralwerkzeug wird verwendet, wenn die Spindelrichtung häufig geändert werden muss. Es ist nicht ideal für schwere Dreharbeiten, kann aber effektiv bei Planbearbeitungen eingesetzt werden.

Rundnasen- und Spezialprofile

Für spezielle Bearbeitungen werden Spezialprofile wie V-Nut-, Fasen-, Hinterschnitt- und Radiuswerkzeuge eingesetzt. Diese Werkzeuge sind kundenspezifisch geschliffen. Sie tragen dazu bei, die Gesamtbearbeitungszeit zu verkürzen.

Typ 4 - Drehwerkzeug basierend auf der Struktur

Obwohl die Struktur der Drehwerkzeuge ein weniger wichtiger Faktor für die Werkzeugcharakterisierung ist, beeinflusst sie dennoch Kosten, Steifigkeit, Wartung und Wendeplattenwechsel. Daher ist das Verständnis dieses Faktors auch für Maschinenbauer wichtig. Werfen wir einen kurzen Blick darauf:

Einzelkörperwerkzeuge

Einkörperwerkzeuge sind in manuellen Drehmaschinen weit verbreitet. Sie bieten hohe Steifigkeit, niedrige Kosten und lassen sich zum Schärfen leicht nachschleifen. Für kostengünstige Materialien wie HSS oder Werkzeugstahl können Einkörperwerkzeuge eine gute Option sein. Für teure Materialien wie Hartmetall oder Keramik ist ein Werkzeug, das vollständig aus einem einzigen Material besteht, jedoch möglicherweise keine praktikable Option.

Geschweißte Werkzeuge

Geschweißte Werkzeuge können eine bessere Option zur Reduzierung der Werkzeugkosten sein. Beispielsweise ist eine auf einen Stahlschaft gelötete Hartmetallspitze günstiger als ein Vollhartmetallwerkzeug. Das einzige Problem ist die Schwäche dieser Werkzeuge an der Verbindungsstelle.

Eingespannte Werkzeuge

Klemmwerkzeuge gehören zur Standardausstattung von CNC-Maschinen. Werkzeuge aus Hochleistungswerkstoffen wie CBN oder PKD können auf einem wiederverwendbaren Werkzeughalter befestigt werden. Die Wendeschneidplatten sind leicht austauschbar. Die Anschaffungskosten sind zwar etwas höher, die Betriebskosten sinken jedoch.

Wie wählt man das richtige Drehwerkzeug aus?

Die Auswahl des richtigen Drehwerkzeugs ist entscheidend für hohe Effizienz, höhere Produktivität, weniger Ausschuss, eine hervorragende Oberflächengüte und eine unterbrechungsfreie Bearbeitung. Die Auswahl hängt von Faktoren wie Maschinenleistung, Bearbeitungsvorgängen, Werkstückeigenschaften und dem Kosten-Qualitäts-Verhältnis ab.

Werkzeugbeschichtungen für verschiedene Bearbeitungsmaterialien

Die folgende Tabelle bietet einen Vergleich verschiedener Werkzeugbeschichtungen:

• TiN und TiCN:

Titannitrid (TIN) und Titancarbonitrid (TiCN) eignen sich ideal für die Bearbeitung von allgemeinem Stahl.

• AlTiN und AlCrN:

AlTiN und AlCrN eignen sich am besten für die Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen wie Edelstahl und Inconel. Sie sind sehr hitze- und oxidationsbeständig. AlCrN kann ohne Kühl- und Schmiermittel verwendet werden.

• DLC und PVD:

Diamantähnliche Beschichtungen (DLC) sind die härtesten Beschichtungen überhaupt. Sie eignen sich ideal für besonders duktile Materialien wie Aluminium und Kunststoffe. Die scharfe Schneide ermöglicht das Schneiden mit geringerer Schneidkraft. Dadurch kann das Werkstück ohne Verformung oder Einkerbung geschnitten werden.

Werkstückmaterial und -form

Die Werkzeugform muss auf Basis der Materialeigenschaften des Werkstücks gewählt werden. Weiche Metalle wie Aluminium oder Messing benötigen beispielsweise scharfkantige Werkzeuge mit geringem Spanwinkel. Harte Stähle hingegen benötigen Hartmetall- oder CBN-Wendeschneidplatten für eine einwandfreie Bearbeitung. Komplexe Formen wie Kegel oder Konturen erfordern Formwerkzeuge oder individuell geschliffene Profile.

Ideale Bearbeitungsarten

Bearbeitungsparameter und Werkzeugauswahl müssen je nach Bearbeitungsvorgang angepasst werden. Beim Drehen sind positive Spanwinkel und Spanleitstufen erforderlich, da der Fokus stärker auf dem Zeitspanvolumen (MRR) liegt. Beim Plandrehen sind kleine Eckenradien und scharfe Kanten erforderlich, die die Oberflächengüte priorisieren. Auch Abstechen, Gewindeschneiden und Bohren benötigen eigene Einstellungen für eine effiziente Bearbeitung.

Fazit

Die richtige Werkzeugwahl führt zu optimalen Ergebnissen in der Zerspanung. Sie senkt Kosten, erhöht die Präzision und verlängert die Maschinenlebensdauer. Die Werkzeugauswahl hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter Maschinenleistung, Werkstückmaterial, Qualitätsanforderungen und Wirtschaftlichkeit. Wir bieten eine breite Palette an CNC-Bearbeitungsdienstleistungen nach Maß. Fordern Sie gerne ein Angebot oder eine Beratung an.

Häufig gestellte Fragen

Welcher Spitzenradius ergibt das beste Finish bei Aluminium?

Ein Eckenradius von 0.4 mm eignet sich gut für kleine Teile und 0.8 mm für große Querschnitte. Ein großer Eckenradius sorgt für eine bessere Oberflächengüte. Ein zu großer Eckenradius kann jedoch zu Rattern führen. Ein Facharbeiter sollte ihn materialgerecht feinabstimmen.

Wie wähle ich den richtigen Spanbrecher für Edelstahl 304 aus?

Der Spanbrecher sollte stark sein und einen negativen Spanwinkel sowie eine geringe Breite aufweisen.

Welches ist das beste Werkzeughaltersystem für eine kleine CNC-Drehmaschine?

Für kleine CNC-Drehmaschinen ist ein modulares Schnellwechselsystem mit Wendeplattenhaltern eine gute Wahl. Es bietet ein Gleichgewicht zwischen Stabilität und geringer Rüstzeit.