Mit Keramik die Grenzen überschreiten

Laut Bernie McConnell, Executive Vice President, Commercial, von Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvania, ist die Entwicklung bahnbrechender Möglichkeiten für Hartmetallsorten in der Zerspanung praktisch ausgeschöpft.

„Abgesehen davon, dass man verschiedene Dinge mit Beschichtungen, Geometrie und Kantenvorbereitung machen kann, gibt es nur begrenzte Möglichkeiten, die Hartmetallmaterialien zu mischen und zu vermischen“, sagte er. „Der größte Teil der spannenden Technologieentwicklung findet im Keramikbereich des Geschäfts statt.“ Das gilt sowohl für Schneidwerkzeuge als auch für Teile. „Ganz gleich, ob es um superschnelles Fahren, extreme Hitze oder abrasive Verschleißeigenschaften geht, Keramik setzt in vielfältigen Anwendungen neue Maßstäbe. Die heutigen Keramikfähigkeiten sind unglaublich und werden immer besser.“

Keramik ist nach wie vor eine hervorragende Lösung für Hochtemperaturlegierungen und abrasive Materialien und bietet die Möglichkeit, atemberaubende Ergebnisse zu erzielen. Laut Robert Navarrete, nationaler Produktspezialist für Abstechen, Nuten und Drehen bei Iscar USA, liegen die Fräsgeschwindigkeiten in Hochtemperaturlegierungen tatsächlich zwischen 2.800 und 4.400 Oberflächenfuß pro Minute (SFM).

„Beim Fräsen würde ich normalerweise bei etwa 3.400 SFM beginnen, den Verschleiß der Wendeschneidplatte messen und die Parameter entsprechend anpassen“, erklärte er. „Beim Drehen lägen Sie je nach Maschinenkapazität bei hochtemperaturbeständigen Legierungen zwischen 600 und 1.100 SFM.“

Aber das ist nichts Neues. Navarrete wies darauf hin, dass eine Reihe von Werkstätten aufgrund ihrer Erfahrungen mit Whisker-verstärkter Keramik, einer jahrzehntealten Technologie, mit diesen Möglichkeiten vertraut seien. Stattdessen pries er neuere Keramiken aus Silizium, Aluminium, Sauerstoff und Stickstoff (SiAlON). „Man kann die gleichen Whisker-ähnlichen Parameter zu geringeren Kosten nutzen, da SiAlONs billiger herzustellen sind als Whisker“, sagte Navarrete. „Ich bin noch nie in ein Geschäft gegangen, habe ein SiAlON spezifiziert und angeboten und war teurer als ein Whisker. Es ist nicht passiert.“

Der Preisunterschied könne leicht 25–30 % betragen, fügte er hinzu und verwies auf den Fall einer mit Whiskers verstärkten Keramik mit einer Werkzeugstandzeit von sieben Minuten im Vergleich zu sechs Minuten bei SiAlON. Aber bei einem um 25 % niedrigeren Preis ergibt das eine Ersparnis von 7 % zugunsten von SiAlON. „Über ein Jahr Nutzung bedeutet das eine enorme Ersparnis“, versicherte Navarrete. „Keramik ist nicht billig.“

Ein weiterer Pluspunkt: SiAlONs sind „viel nachsichtiger als Whisker“, fuhr er fort, und können daher mit niedrigeren Geschwindigkeiten laufen, ohne die Plastifizierung, die normalerweise zum Schneiden von Whisker-Keramik erforderlich ist. „Wenn ich ein Teil mit einem unterbrochenen Schnitt hätte, wie zum Beispiel ein Schmiedestück mit einer Zunderschicht oder irgendeiner Kruste, würde ich ein SiAlON verwenden, im Gegensatz zu einem Whisker.“

Iscar bietet „harte“ SiAlONs und „harte“ Versionen an. Letzteres wird als „whiskerartig“ beworben, da es die harte, spröde Natur von mit Whiskers verstärkter Keramik nachahmt.

Laut Martin Dillaman, dem globalen Manager für Technik und Anwendungen des Unternehmens, finden die Whisker-verstärkten Hochleistungskeramiken von Greenleaf aufgrund ihrer höheren Warmhärte und größeren Vorschubgeschwindigkeiten weiterhin wertvolle Anwendungen. Beispielsweise sagte er: „Normalerweise würde man in hitzebeständigen Legierungen kein SiAlON verwenden, da diese mit einer höheren Vorschubgeschwindigkeit arbeiten, die die Anforderungen an die Oberflächengüte des Teils übersteigt. Man muss also eine mit Whiskers verstärkte Keramik verwenden, wenn man die Geschwindigkeit hochhalten und das Ziel erreichen will.“

Dillaman fügte hinzu, dass viele Luft- und Raumfahrtunternehmen Schalltests an ihren hitzebeständigen Legierungsteilen durchführen und dabei auf kleinere Unvollkommenheiten in der Oberfläche prüfen. Aber in jedem Fall, den er kennt, „wird die Oberflächenbeschaffenheit, die ein SiAlON hinterlässt, die Schallprüfung nicht bestehen, wohingegen unsere WG300- und beschichteten WG600-Whisker-verstärkten Keramiken für diese Prüfung zugelassen wurden.“ Es gibt also definitiv einige Bereiche, in denen Whisker nicht durch SiAlON ersetzt werden.“

Greg Bronson, Greenleafs Vertriebsleiter für Amerika, erläuterte dies. „Da die Kante von Whisker-Keramik besser standhält, kommt es nicht zu derselben Hitzeentwicklung und Verschmierung des Materials, die dazu führen könnte, dass Teile zusätzliche Oberflächentests nicht bestehen.“

Auch die GF1-Chipform von Greenleaf trägt zum Finishing-Erfolg bei. Die Form ist bis zur Schneidkante in die Oberseite des Einsatzes eingeschliffen und wird für alle Whisker-Sorten von Greenleaf angeboten. „Es trägt dazu bei, den Schneiddruck zu reduzieren, was die Wahrscheinlichkeit von Fehlern jeglicher Art während der Qualitätsprüfung verringert“, sagte Dillaman.

Im Allgemeinen ermöglicht die höhere Warmhärte von Whisker-verstärkten Keramiken im Vergleich zu SiAlONs, dass WG300 laut Bronson in hitzebeständigen Legierungen mit 10 bis 20 % höheren Geschwindigkeiten läuft, jedoch mit einer reduzierten Vorschubgeschwindigkeit, die für die Schlichtbearbeitung erforderlich ist. „Unser beschichtetes WG600 wäre noch einmal 20 % schneller, also etwa 30–40 % höher als ein SiAlON. Und unser nanobeschichteter WG700 ist noch einmal 20 % schneller, Sie lägen also bei knapp 50–60 %. Sie können Inconel mit WG700 bis zu 1.500 SFM verarbeiten, und SiAlONs werden schmelzen, lange bevor Sie diesen Punkt erreichen“, sagte Bronson und fügte hinzu, dass WG700 auch beim unterbrochenen Schneiden von Rene hervorragend ist.

Obwohl die bekannte XSYTIN-1-Keramik von Greenleaf chemisch einem SiAlON ähnelt, handelt es sich um ein phasengehärtetes Siliziumnitrid. „Durch die Art und Weise, wie es gepresst wird, wächst eine kristalline Struktur im Inneren des Materials“, erklärte Bronson. Infolgedessen, sagte er, kann das Unternehmen „mit XSYTIN-1 im Allgemeinen 20–30 % höhere Vorschubgeschwindigkeiten erzielen als mit den meisten SiAlONs“, obwohl XSYTIN-1 eine ähnliche Geschwindigkeitsbegrenzung hat, da die Bindemittel bei einer ähnlichen Temperatur zerfallen.

Der neueste Ruf nach Keramikschneidwerkzeugen ergibt sich aus der Notwendigkeit, die Bauplatten nach dem Metall-3D-Druck zu reinigen. Bronson nannte Kobalt-Chrom für medizinische Produkte, Inconel 718 für die Luft- und Raumfahrt, Haynes 282 für Raketentriebwerke, Rene 220 für die Stromerzeugung und Rene N2 als schwierige Legierungen, mit denen sich das Unternehmen auseinandersetzen muss. Diese Materialien sind im geschmiedeten Zustand schwer zu bearbeiten, und Bronson erklärte, dass das Drucken dieser Materialien einen weiteren Schwierigkeitsgrad mit sich bringt, da beim Lasersinterverfahren Zunder zwischen den Schichten zurückbleibt.

„Das schlägt Hartmetall deutlich in die Höhe. Es kommt zu starken Absplitterungen und übermäßigem Verschleiß. Daher hofften die Kunden, dass Keramik das überstehen würde.“

Solche gedruckten Teile werden normalerweise mit Drahterodiermaschine von der Bauplatte abgeschnitten, wobei 0,200–0,300 Zoll (5,08–7,62 mm) der Stützstruktur entfernt werden müssen, sagte Bronson. „Dann wollen sie die Grundplatte reinigen, damit sie erneut drucken können.“ Also nehmen sie 15 oder 20 Tausend vom Teller.“

Greenleafs erster Vorstoß bestand darin, 31-35 HRC Haynes 282 zu entfernen, der auf einer Edelstahlplatte aufgedruckt war. Aufgrund der Teilekonfiguration erforderte der Druck einen äußerst variablen Satz Anschnitte, Steigleitungen und Stützstrukturen, erinnert sich Bronson. „Einige davon waren dick, andere dünn. Einige waren groß. Sie waren überall. Es war also von Natur aus sehr unterbrochen. Außerdem ist Haynes sehr aggressiv.“

Seltsamerweise, fügte er hinzu, stellte das weichere rostfreie Material eine noch größere Herausforderung für Hartmetall dar. Sobald ein Werkzeug, das für das härtere Material ausgelegt ist, auf den rostfreien Stahl trifft, versagt es. Das liegt wahrscheinlich daran, dass die Gummiigkeit des Edelstahls die Bildung von Spänen verhindert. Die Lösung von Greenleaf bestand darin, die XSYTIN-1-Keramik in einem kleinen Planfräser mit RNG45-Wendeschneidplatten zu verwenden. Die Stärke von XSYTIN-1 ermöglicht es dem Benutzer, „mit einer schärferen Kante davonzukommen“, sagte Bronson. „Dadurch gelangt man durch das harte Material, verschmiert aber dank der schärferen Geometrie nicht im weicheren Material.“

Darüber hinaus erhöhte Greenleaf die Schnitttiefe auf 35 bis 50 Tausend, während der Kunde aufgrund der abrasiven Beschaffenheit des Materials sehr geringe Schnitttiefen von nur 0,38 bis 0,635 mm (0,015 bis 0,025 Zoll) benötigte. „Und anstatt vielleicht fünf, sechs oder sieben Durchgänge mit Hartmetall machen zu müssen, können wir mit Keramik zwei oder drei machen und die gesamte Platte reinigen“, sagte Bronson. Tatsächlich war es bei sechs Projekten dieser Art, an denen er gearbeitet hat, aufgrund von Kantenschäden in der Regel erforderlich, dass das Hartmetallwerkzeug nach einem einzigen Durchgang durch das lasergesinterte Material indexiert werden musste. Während die Keramik „bei jedem Durchgang, den wir machen mussten, durchgehalten hat“, stellte Bronson fest.

In einem Artikel von Manufacturing Engineering aus dem Jahr 2021 über Hartmetallwerkzeuge mit dem Titel „Eine unwahrscheinliche, aber leistungsstarke Lösung“ wurde die seltsame Tatsache erwähnt, dass Keramikeinsätze höllisch aussehen und trotzdem gut schneiden können. Der Schlüssel zu dieser Fähigkeit, erklärte Navarrete, sei der Zustand der Kante. „In diese Einsätze wird so viel Hitze eingebracht, besonders wenn man sie trocken laufen lässt, sehen sie verbrannt aus. Aber die Kantenvorbereitung ist immer noch da. Man nimmt es vielleicht heraus und stellt fest, dass es dunkel oder verkohlt ist, aber sobald man wieder anfängt zu schneiden, verbrennt es – man könnte fast sagen – wie ein Barbecue-Grill. Sobald die Bearbeitungstemperaturschwelle erreicht ist, erhitzen sich Materialreste und lösen sich von der Keramik, und die Kantenvorbereitung wird wieder aktiviert.“

Anstatt sich Gedanken über das irreführende Erscheinungsbild der Beilage zu machen oder Ihre Aufmerksamkeit auf den Rand zu richten, empfahl Navarrete, einfach ein Zeitlimit festzulegen. „Keramik ist sehr stoßempfindlich, aber auch vorhersehbar.“ Er schlug vor, mit einer relativ kurzen, programmierten Schnittzeit (TIC) zu beginnen und dann die Kante zu prüfen. „Normalerweise beginne ich mit dreieinhalb Minuten als Ausgangspunkt. Sobald wir einen idealen Punkt gefunden haben, an dem sich alle wohlfühlen, können wir entsprechend anpassen, indem wir die Einlegezeit im Schnitt entweder verlängern oder verkürzen.

Wir möchten ein TIC finden, bei dem wir jedes Mal sicher indizieren können und wissen, dass es nicht fehlschlägt. Das Fräsen kann vorhersehbar zwischen sieben und zehn Minuten dauern.“

All dies hängt natürlich von der richtigen Kantenvorbereitung ab. „Für Schlichtschnitte in hochtemperaturbeständigen Legierungen empfehlen wir eine geschliffene Kante“, sagte Navarrete. Es ist das freiste Schneiden. Für „Zwischenbearbeitungen wie Halbschlichten oder Halbschruppen würden wir eine Fase verwenden, die wir T-Fase nennen. Es ist etwas stärker. Wenn es sich um ein reines Schruppen handelt, bei dem sich viel Material ablöst, oder wenn wir Zunder oder Krusten maschinell bearbeiten wollen, verwenden wir das, was wir TE-Kantenvorbereitung nennen. Das ist eine Fase und eine Schärfe. Es ist eine noch stärkere Schneide, bedeutet aber auch mehr Werkzeugdruck. Es soll Schläge aushalten.“

Er wies jedoch darauf hin, dass die Zerbrechlichkeit von Keramik oft übertrieben werde. „Keramik kann einiges aushalten, man muss sie nur programmieren und richtig angehen.“ In diesem Zusammenhang warnte er, dass jeder Wechsel von Hartmetall- zu Keramikwerkzeugen eine Neuprogrammierung des Schnitts erfordert. „Sie sollten ein Keramikwerkzeug nicht an ein Hartmetallprogramm anschließen.“

Weder Greenleaf noch Iscar verraten die Geheimnisse der Herstellung ihrer Werkzeuge. Aber Better Edge mit Sitz in Scottsdale, Pennsylvania, gibt einen Einblick in die Herausforderung des Schleifens der endgültigen Schneidgeometrie. Während sich das Unternehmen auf spezielle Hartmetall-Schneidwerkzeuge konzentriert, erhielt Better Edge kürzlich ein Projekt zum Schleifen eines sechsschneidigen Schaftfräsers mit kurzem LOC und einem halben Zoll Durchmesser für einen Kunden aus der Luft- und Raumfahrtindustrie. Da die Werkzeuge abgenutzt waren, schnitt Better Edge den Schneidteil ab und schliff dann eine neue Geometrie in den verbleibenden Rohling.

Obwohl das Unternehmen über keine Erfahrung mit Keramik verfügte, erarbeitete es sich schnell die erforderlichen Abweichungen von seinen Hartmetallmethoden. Es gab nur zwei Probleme. Der erste, erklärte Brian Shaffer, Vizepräsident für Betrieb und Qualität, sei Radverschleiß.

„Anfangs verwendeten wir ein Toolgal-Rad mit einer härteren Hochleistungs-Hybridbindung, RM644, unserer bevorzugten Bindung, wenn es um eine längere Lebensdauer der Riffelung ging. Aber bei geriffelten Keramikwerkzeugen verschleißte es schneller, als uns lieb war.“

Um das Problem zu lösen, wandte sich Better Edge an David Ginzburg, den Präsidenten der in Elberton, Georgia, ansässigen Toolgal USA Corp. Ginzburg riet dazu, die neuere Hybrid-Wellenbindung RM769G auszuprobieren. Das mag vielleicht kontraintuitiv klingen, da RM769G eine weichere Bindung hat, aber es funktionierte tatsächlich besser und sorgte für eine längere Lebensdauer der Räder. Laut Ginzburg war die unterschiedliche Diamantqualität der Scheibe und die bessere Diamantretention der Bindung freier und für die Riffelung von Keramik geeignet. Die Zykluszeiten waren nur etwas langsamer als bei Hartmetall, etwa eine halbe Stunde pro Werkzeug, fügte Shaffer hinzu.

Das zweite Problem beim Schleifen von Keramik besteht darin, dass dabei feine, milchige Späne entstehen, die die Kühlmittelfilter schneller verstopfen als Hartmetall. Better Edge löste dieses Problem, indem es die Filter häufiger wechselte, kam jedoch zu dem Schluss, dass das Unternehmen, wenn es weiterhin Keramik schleifen wollte, einen eigenen Filter für diese Anwendung einsetzen müsste.

Wie bereits erwähnt, können Keramiken auch als Verschleißteile oder andere Komponenten dienen, die harten Bedingungen standhalten müssen. Greenleaf betreibt für solche Anwendungen eine Abteilung „Technische Keramik“ und schult sein Werkzeugpersonal, um die Augen offen zu halten. McConnell sagte, ein Ingenieur habe kürzlich beobachtet, wie ein Bediener die Hartmetall-Führungsräder an der Messvorrichtung für ein großes Walzendrehwerk austauschte. Dieses Messgerät muss kontinuierlich über eine riesige Stahloberfläche laufen und dabei Rundheit und Größe messen, sodass es zu erheblichem Verschleiß kommt. Als Lösung bot Greenleaf dem Kunden Keramik an, die 10 bis 15 Mal länger hält.

Als weiteres Beispiel verwies McConnell auf Führungsbuchsen für Tieflochbohrungen. „Früher waren es Hartmetall oder gehärteter Stahl. Jetzt stellen wir sie aus Keramik her und sie halten 20-mal länger. Die Möglichkeiten sind also quasi grenzenlos.“

Wenn Sie ein drittes Beispiel benötigen: Es gibt nichts Besseres als eine Linie, die 2.000 Aluminium-Getränkedosen pro Minute produziert. Laut Jim Beavers, Vertriebsleiter der Danobat Group in Rolling Meadows, Illinois, bestand die Einhalsmatrize, die die Wände der Dose zur Aufnahme des Deckels formt, traditionell aus Hartmetall, „aber im Laufe der Jahre haben sie entdeckt, dass HIP (heiß isostatisch gepresst) verwendet wird ) Keramik hat eine längere Lebensdauer, da sie eine bessere Wärmeübertragung und Verschleißfähigkeit aufweist.“ Die Version, die Danobat am häufigsten sieht, ist Yttriumoxid-tetragonales Zirkonoxid-Polykristall (YZTP), das laut Beavers „bei 81 auf der Rockwell-Skala und 1.300 auf der Vickers-Skala liegt“. Also sicherlich ein herausforderndes Material.“

Das ist nicht alles. Der Würfel hat innen und außen eine ziemlich komplexe Form und einen Schlitz. „Die Profiltoleranz beträgt zwei Zehntel. Und der andere wichtige Aspekt ist die Tangentialität des Radius gegenüber dem Winkel, in dem sie sich schneiden“, erklärte Beavers. Es wird schlimmer. „Kunden verlangen, dass die Innenbohrung von der Maschine bis auf zwei Mikrozoll herabkommt. Wir müssen also ein poliertes Finish liefern.“

Danobat meistert diese Herausforderungen mit seiner Overbeck IRD-Maschine, die mit einem Schleifkopf mit vier Spindeln ausgestattet ist. Das Schleifen der Form erfordert eine Drei-Achsen-Interpolation (X, Z und B0) sowie alle vier Spindeln. Zum Schleifen der Außenseite der Form ist beispielsweise eine Scheibe mit großem Außendurchmesser erforderlich, während Scheiben mit viel kleinerem Innendurchmesser für die Innenform zuständig sind. Um die erforderliche Oberflächengüte zu erzielen, ist es außerdem erforderlich, mehrere Schleifmittel sowohl zum Schruppen als auch zum Schlichten zu verwenden, fügte Beavers hinzu.

„Viele Leute wissen nicht, wie eng die Maß- und Formtoleranzen dieser Teile sind“, bemerkte Daniel Rey, Präsident des Danobat-Vertriebspartners Rey Technologies, St. Charles, Illinois. „Und ein Grund dafür, dass es Overbeck gelungen ist, diese Anforderungen zu erfüllen, ist die Verwendung von massivem Naturgranit als Maschinenbasis. Dadurch werden unter anderem etwaige Temperaturschwankungen in einem Ladengeschäft bewältigt. Overbeck verwendet auch Linearmotoren, was ein weiterer Vorteil gegenüber einigen Mitbewerbern ist.“

Darüber hinaus sagten Beavers von Danobat, dass man der thermischen Stabilität der Maschine „höchste Aufmerksamkeit“ widmen müsse, indem man eine Flüssigkeitskühlung in die Arbeitsköpfe einbaue. Auch die Kühlmittelfiltration müsse auf „höchstem Niveau“ sein, sagte er. Deshalb fügt das Unternehmen zusätzlich zu einem Standardsystem Kanisterfilter mit einer Nennleistung von bis zu fünf Mikrometern sowie Kühler hinzu, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten.

Da haben Sie es also. Keramik bietet hervorragende Lösungen für schwierige Bearbeitungsherausforderungen, und auch die Herausforderung der Bearbeitung von Keramik selbst kann mit der richtigen Technologie und der Bereitschaft, die Grenzen zu überschreiten, bewältigt werden.

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