ISO P-Drehsorten

Andrea Gillhuber,

Wirtschaftlich zerspanen

Eine wirtschaftlich effiziente Produktion ist entscheidend für die Rentabilität eines Unternehmens. Im Falle der Metallzerspanung sind dazu sichere und vorhersehbare Prozesse und Produktionsumgebungen maßgeblich: erstens, um dauerhaft einen maximalen Produktionsausstoß sicherzustellen, und zweitens, um die Produktionskosten so niedrig wie möglich zu halten. Neue ISO-P-Drehsorten helfen dabei.

Die neuen ISO-Wendeschneidplatten in Aktion. © Sandvik Coromant

Nach einer Umfrage des US-Herstellerverbands National Association of Manufacturers (NAM) erwarten 53 Prozent der Fertigungsunternehmen in den USA, dass sich COVID-19 auf ihre Geschäftstätigkeit auswirken wird. Nach Einschätzung von PricewaterhouseCoopers (PwC) ist dies angesichts fallender Ölpreise und sinkender Nachfrage, Engpässen in der Versorgungskette, Kaufzurückhaltung und Nervosität auf den Kreditmärkten sogar bereits Realität. Weil vor diesem Hintergrund auch für Hersteller von Stahlkomponenten der Wettbewerbsdruck wächst, geht Sandvik Coromant der Frage nach, wie eine alternative Herangehensweise an Stahldrehprozesse zur Optimierung der Kosten pro Bauteil und zur Gesamtrentabilität beitragen kann.

Beim Drehen von Stahl geht es vor allem darum, die Kosten pro Bauteil zu minimieren. Diese errechnen sich aus den gesamten Fixkosten plus die gesamten variablen Kosten, geteilt durch die gesamten produzierten Einheiten. Herausforderungen bei der Reduzierung der Stückkosten ergeben sich durch Engpässe, Produktionsverlangsamungen oder Einschränkungen bei der Anzahl der pro Durchlauf hergestellten Komponenten. Weitere Parameter ergeben sich aus der Nachfrage am Markt, die es erforderlich machen kann, entweder die Produktionskosten zu senken oder den Ausstoß zu erhöhen.

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Szenarien mit geringer Nachfrage erfordern Werkzeuge, die mehr Bauteile pro Schneidkante produzieren können und gleichzeitig Prozesssicherheit mit weniger Ausschuss bieten. Szenarien mit starker Nachfrage erfordern Werkzeuglösungen, die höhere Zerspanungsraten, kürzere Zykluszeiten und eine hohe Maschinenauslastung bei minimalen Produktionsunterbrechungen ermöglichen. Unabhängig vom Szenario sollten Fertigungsunternehmen in jedem Fall ihren Output maximieren. Nach Einschätzung von Sandvik Coromant können Unternehmen damit die Bauteilkosten um 15 Prozent senken. Um das bei gleichzeitiger Maximierung der Prozesssicherheit zu erreichen, ist auch der Ansatz eines alternativen Werkzeugkonzepts sinnvoll.

Spanlose Zeit reduzieren

Sandvik Coromant hat errechnet, dass die Kosten für Werkzeuge 3 bis 5 Prozent der gesamten Fertigungskosten ausmachen. Somit sollte man beim Kauf von Werkzeugen wie Hartmetallwendeschneidplatten, die sich mit der Zeit abnutzen, nicht nur die anfänglichen Stückkosten berücksichtigen. Stattdessen empfiehlt sich eine Betrachtungsweise, in der die Werkzeugkosten in den gesamten Produktionskostenprozess, also inklusive aller Betriebskosten wie etwa Maschinenabschreibungen, einbezogen werden.

Betrachtet man einen typischen Arbeitstag und nimmt an, dass während zwei Schichten von insgesamt 14,4 Stunden 60 Prozent der Zeit der Produktion, also dem Zerspanen, gewidmet wird. 40 Prozent der Gesamtzeit entfallen auf andere Dinge und somit nicht auf die Zerspanung. Das Ziel muss demnach lauten: die spanlose Zeit reduzieren und die Bearbeitungszeit maximieren.

Der beste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, die Fertigungszeit pro Komponente zu verkürzen und gleichzeitig die Auslastung der Werkzeugmaschine zu erhöhen. Eine 20-prozentige Steigerung der Maschinenauslastung kann eine um 10 Prozent höhere Bruttogewinnmarge bringen.

Längere Werkzeugstandzeit

Hersteller messen die Produktionsraten auf unterschiedliche Weise. Eine Messgröße ist die Anzahl der über einen bestimmten Zeitraum, beispielsweise pro Schicht, fertiggestellten Bauteile. Hierbei sind häufige Wendeschneidplattenwechsel, Produktionsunterbrechungen und die Suche nach den für jede Anwendung oder jedes Material passenden Wendeschneidplatten die größten Hemmnisse. Diese werden auch als die schlimmsten Zeitfresser in der modernen Fertigung angesehen.

Die Frage ist: Wie können Hersteller diese Herausforderungen auch bei der Arbeit mit zähen Werkstücken aus Aluminium, unlegierten Stählen und anderen Werkstückmaterialien meistern? Zunächst sollte die Wendeschneidplattensorte vorrangig nach ihrer Eignung für das Werkstück ausgewählt werden. Das ist eine herausfordernde Aufgabe, denn viele Variablen beeinflussen die Leistung der Wendeschneidplatten. Eine einzige Sorte zu beschaffen, die den breit gefächerten Anforderungen der Stahllegierungen der ISO-Bereiche

P15 bis P25 gerecht wird, erweist sich oft als schwierig. P15 bis P25 beziehen sich dabei auf die Anforderungen, die unterschiedliche Arbeitsbedingungen an die Bearbeitungsparameter stellen: Schnittdaten, Oberflächengüte, Schnitttiefe, bearbeitete oder raue Oberflächen, kontinuierliche oder unterbrochene Schnitte.

Um die Produktivität zu steigern, muss die spanlose Zeit verkürzt werden. So lassen sich pro Schicht mehr Bauteile fertigen. © Sandvik Coromant

Somit muss jede Sorte aus diesen Bereichen zahlreiche Voraussetzungen erfüllen: Beispielsweise ist Bruchfestigkeit von größter Bedeutung, da die Schneidkante hart genug sein muss, um plastischen Verformungen durch die extremen Temperaturen in der Schnittzone zu widerstehen. Darüber hinaus muss die Wendeschneidplattenbeschichtung Freiflächenverschleiß, Kolkverschleiß und Aufbauschneidenbildung verhindern. Weiterhin ist Qualität der Beschichtungshaftung entscheidend, da sonst das Substrat freigelegt wird und vorzeitiger Werkzeugausfall droht.

Um solche Probleme zu vermeiden, sind die Verzögerung des kontinuierlichen, kontrollierbaren Verschleißes und die Beseitigung des diskontinuierlichen, oft unkontrollierbaren Verschleißes die Schlüssel zum Erfolg. Vorhersehbarer Werkzeugverschleiß ist also das Ziel. Angesichts des Trends zur Bearbeitung mit eingeschränkter oder gar ohne Überwachung ist das nicht einfach zu erreichen.

Auf jeden Fall ist das optimale Verschleißmuster für jede Wendeschneidplatte der kontrollierte Freiflächenverschleiß, da dieser zu einer vorhersehbaren Standzeit der Schneidkanten führt. Ideal dafür ist eine Sorte, die die Entwicklung unerwünschter Verschleißarten begrenzt oder gar verhindert, dass diese überhaupt entstehen.

Auf die richtige Sorte kommt es an

Um die Anzahl der produzierten Bauteile zu maximieren, ist es entscheidend, die richtige Hartmetallwendeschneidplatte zu wählen. Aus diesem Grund hat Sandvik Coromant die neuen ISO P-Drehsorten GC4415 und GC4425 für die Bearbeitung von Stahllegierungen der ISO-Bereiche P15 und P25 entwickelt. Während GC4425 eine verbesserte Verschleißfestigkeit, Hitzebeständigkeit und Zähigkeit bietet, wurde GC4415 als Ergänzung dazu für alle Bearbeitungen, die eine höhere Leistung und noch größere Hitzebeständigkeit erfordern, entwickelt.

Beide Sorten sind für die Bearbeitung von niedriglegiertem und unlegiertem Stahl. Sie können eine größere Anzahl an Bauteilen innerhalb von Groß- und Kleinserienfertigung bearbeiten und tragen zur Verlängerung der Werkzeugstandzeit bei. Zudem verhindern sie unerwarteten Werkzeugbruch und reduzieren Nacharbeiten sowie Ausschussraten.

Beide Sorten verfügen über die Inveio-Technologie der zweiten Generation mit einer unidirektionalen Kristallorientierung in der Aluminiumoxidbeschichtung. Dessen Eigenschaften werden auf mikroskopischer Ebene deutlich: Jeder Kristall in der Aluminiumoxidbeschichtung ist in der gleichen Richtung aufgereiht, was eine starke Barriere zur Schneidezone schafft. Die Kristallorientierung konnte bei der Inveio-Beschichtung der zweiten Generation nochmals wesentlich verbessert werden. Inveio verleiht der Wendeschneidplatte eine hohe Verschleißfestigkeit und sorgt für eine längere Werkzeugstandzeit, die dazu beiträgt, die Kosten pro Bauteil zu senken.

Darüber hinaus gilt es weitere Parameter zu berücksichtigen, insbesondere die Geometrie einer Wendeschneidplatte und wie diese die Spankontrolle und die Bearbeitungsleistung beeinflusst.

Verbesserte Geometrie

Die Geometrie bezieht sich auf das Design der Wendeschneidplatte, das entsprechend der Bearbeitungsarten ausgelegt ist. Schlichten, mittlere Bearbeitung und Schruppen haben jeweils spezifische Auswirkungen auf die Schnittgeschwindigkeit und ihren eigenen Arbeitsbereich bezogen auf einen akzeptablen Spanbruch im Verhältnis zu Vorschub und Schnitttiefe.

Beim Drehen haben die drei wichtigsten Schnittparameter – Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe – einen erheblichen Einfluss auf die Werkzeugstandzeit und damit auf die Kosten pro Bauteil, schließlich kann eine 20-prozentige Erhöhung der Schnittdaten die Kosten eines Bauteils um 10 Prozent senken.

Die ISO P-Drehsorten GC4415 und GC4425 wurden speziell für die Bearbeitung von Stahllegierungen der ISO-Bereiche P15 und P25 entwickelt. © Sandvik Coromant

Um Anwendern bei der Auswahl der besten Wendeschneidplatten und Sorten für den jeweiligen Anwendungsfall zu unterstützen, bietet Sandvik Coromant die kostenlose Onlineanwendung CoroPlus Tool Guide.

Ganzheitlicher Ansatz beim Drehen

Ein Modell des amerikanischen Maschinenbauingenieurs Frederick Winslow Taylor, das zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, stellt eine Beziehung zwischen Schnittgeschwindigkeit, Werkzeugverschleiß und Werkzeugstandzeit her. Taylor kam zu dem Schluss, dass die Nutzung der größtmöglichen Schnitttiefe die Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsdurchgänge und damit die Bearbeitungszeit verringert. Zugleich wies er darauf hin, dass eine optimierte Drehbearbeitung von Stahl von der Stabilität der Werkzeugspannung, von der Werkstückfixierung und dem Kühlmitteleinsatz sowie von der Leistung der Werkzeugmaschine abhängt. Das Modell von Taylor zeigt, dass optimiertes Stahldrehen über die Wahl der Sorten und Geometrien hinausgeht. Hersteller sollten das gesamte Werkzeugkonzept berücksichtigen. Alles von der Wendeschneidplattensorte über die Spannausführung bis hin zum Werkzeughalter trägt dazu bei, den Output zu erhöhen, die Kosten zu senken und ein höheres Maß an Prozesssicherheit zu erreichen.

Dieser ganzheitliche Ansatz wurde von einem Unternehmen aus dem allgemeinen Maschinenbau auf die Probe gestellt. Er verwendete die Hartmetallwendeschneidplatte GC4425 zur Herstellung einer Antriebswelle aus wärmebehandelten, niedriglegierten Stahl 42CrMo4 (Werkstoff-Nr. 1.7225) mit einer Härte von 40 HRC. Die verschleißfeste, hitzebeständige und zähe Sorte ist in der Lage, mit höheren Schnittdaten zu arbeiten, und wird üblicherweise für die Bearbeitung von Zahnrädern und Pumpen sowie bei verschiedenen Anwendungen in der Automobil- und Anlagenindustrie genutzt.

Das Werkstück wurde einer multidirektionalen, äußeren Schruppbearbeitung unterzogen. Dabei wurde die Leistung von GC4425 mit der ISO-Wendeschneidplatte eines Wettbewerbers verglichen. Im Ergebnis lag die GC4425 klar vorne, denn die Schnittgeschwindigkeit vc konnte erhöht und den Vorschub fn vervielfacht werden. Während mit der Wendeschneidplatte des Wettbewerbers lediglich mit vc = 183 m/min und fn = 0,33 mm/U zerspant werden konnte, erreichte GC4425 vc = 244 m/min und fn = 0,51 mm/U.

Letztendlich ermöglichte der Einsatz der Hartmetallwendeschneidplatte GC4425 eine Produktivitätssteigerung von 100 Prozent bei einer um 50 Prozent reduzierten Zykluszeit. Insgesamt erzielte der Kunde eine Kostensenkung von 30 Prozent.

Dieses Ergebnis zeigt, dass Fertigungsunternehmen, die das gesamte Werkzeugkonzept berücksichtigen, eine rentablere Produktion und niedrigere Kosten pro Bauteil erreichen können. Und dieser ganzheitliche Ansatz in Bezug auf die Wendescheidplattensorten, die Geometrie und die Gesamtwirtschaftlichkeit des Bearbeitungsprozesses ist von entscheidender Bedeutung, wenn Unternehmen mit Blick auf die anhaltenden Auswirkungen von COVID-19 wettbewerbsfähig bleiben wollen. 

Rolf Olofsson, Produktmanager bei Sandvik Coromant / ag

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