Werkzeuge: Die präzisen Formgeber

„Willst du dich am Ganzen erquicken, so musst du das Ganze im Kleinsten erblicken.“

Höchstwahrscheinlich hatte Goethe keine CNC-Maschinen im Kopf, als ihm diese Weisheit in den Sinn kam– doch was die Werkzeuge von CNC-Maschinen angeht, hätte er den Nagel nicht besser auf den Kopf treffen können. CNC-Maschinen steigern die Produktion durch Automatisierung – aber nur, wenn sie reibungslos funktionieren.

Die Werkzeuge sind in der Regel der kleinste Teil der CNC-Maschinen: Sie treffen direkt auf das Werkstück und geben ihm die Form. Präzision ist dabei genauso wichtig wie die Standzeit des Werkzeugs. Daher sollte eine möglichst lange Standzeit der Werkzeuge bereits bei ihrer Auswahl berücksichtigt werden.

Mittlerweile gibt es jedoch eine fast unübersehbare Vielfalt von Werkzeugen, die jede mögliche Form maschinell herzustellen vermögen.

Werkzeuge in der Wertschöpfungskette

Die Zeitspanne, um Werkzeuge zu besorgen, muss bereits bei der Planung der Produktion berücksichtigt werden.

Die Lieferzeiten für Standard-Werkzeuge sind i.d.R. sehr kurz, wohingegen Spezial-Werkzeuge einen genauen Zeitplan erfordern, um rechtzeitig an Ort und Stelle zu sein.
Nur mit genauem Zeitmanagement bei der Werkzeugbeschaffung können die Durchlaufzeiten bei der Produktion der Werkstücke auf Dauer zuverlässig niedrig gehalten werden.

Zeit für Nachbesserung einplanen

Bei den Werkzeugen ist zu beachten, dass die Herstellungszeit unter Umständen mehrere Wochen und sogar Monate betragen kann. Deshalb sollte die Werkzeugwahl frühzeitig erfolgen. Außerdem sollte genügend Zeit für die Fertigung der Nullserie von Originalwerkzeugen zur Verfügung stehen. Die Erfahrung zeigt, dass immer wieder Ungenauigkeiten oder Fehler bei der Werkzeugwahl nachgebessert werden müssen. Bei dem Design der Werkzeuge gilt folgende Faustregel: So wenige und so einfache Werkzeuge wie möglich.

Vom Prototyp zum Serienwerkzeug

Rapid Tooling Verfahren wie Lasersintern werden häufig für Werkzeuge verwendet, mit denen Werkzeug-Prototypen angefertigt werden. Anhand der damit gemachten Erfahrungen gilt es, die passenden Werkzeuge für Nullserien zu wählen oder zu entwerfen. Nullserien dienen dazu, die Serienfertigung vorzubereiten. Nur eine präzise Formulierung der erforderlichen Parameter und Maße führt dazu, Verzögerungen bei der Serienproduktion zu vermeiden.

Wenn die Werkzeuge bei der Nullserie ihre Aufgabe wie gewünscht erfüllen, können Werkzeuge für die Serienproduktion gekauft oder nach den bei der Nullserie ermittelten Parametern hergestellt werden. Dabei ist vor allem die Standzeit von Bedeutung. Der Werkzeugwechsel bestimmt maßgeblich die wirtschaftliche Effizienz der Systemleistung.

Die wichtige Standzeit

Die Standzeit eines Werkzeugs muss zumindest ungefähr bekannt sein, damit der rechtzeitige Ersatz des Werkzeugs geplant und durchgeführt werden kann. Bei zerspanenden und trennenden Verfahren beeinflusst die Standzeit eines Werkzeugs zahlreiche Größen, die sich in zwei Gruppen einteilen lassen – veränderbare und nicht veränderbare Parameter.

• Verändern lassen sich die Schnittgeschwindigkeit, die Schnitttiefe und der Vorschub.
• Nicht verändern lassen sich der Werkstoff, der Schneidstoff, die Geometrie des Werkzeugs, der Kühlschmierstoff sowie die Dynamik von Werkzeugmaschine, Werkstück und Werkzeug.

Diese zahlreichen Faktoren zeigen, wie schwierig die Berechnung der Standzeit eines Werkzeugs ist. Diplom-Ingenieur Clemens Dietl befasste sich mit diesem Thema in seiner Doktorarbeit an der Bergischen Universität Wuppertal. Er entwickelte dafür das „Konzept einer Zuverlässigkeits-adaptiven Werkzeugwechselstrategie zur Erhöhung der Verfügbarkeit von Transferlinien am Beispiel von Bohrern“. Dietls Diagnosesystem besteht aus einem mathematischen Modell, einem Residuengenerator und der Auswertung des Residuums. Dafür werden die Daten des realen Prozesses mit den gespeicherten Daten im Rechner verglichen.

Außerplanmäßige Werkzeugwechsel vermeiden

Die empirischen Daten für diese Arbeit sammelte der Ingenieur als Leiter der Abteilung Quality Control Management bei einer Firma in Remscheid, die Sonderwerkzeugmaschinen herstellt. Demnach sind Werkzeugwechsel für rund 20 Prozent der Stillstandzeiten verantwortlich. Ungefähr jeder vierte Werkzeugwechsel ist nicht geplant. Während der Planungsphase eines automatisierten Systems ist es deshalb wichtig, Werkzeugstandzeiten zu analysieren. Wird ein System in Betrieb genommen, können empirische Daten die errechneten Standzeiten genauer bestimmen und so die Planung von Werkzeugwechseln verbessern.

Aktuell werden mehrere indirekte und direkte Verfahren angewendet, um den Verschleiß von Werkzeugen zu messen. Indirekte Verfahren haben den Vorteil, dass die Daten von der Steuerung der Maschine verarbeitet werden können. Direkte Methoden greifen in der Regel erst, nachdem das Werkstück bearbeitet wurde.

Indirekte Verfahren:

• Die Wirkleistungsmessung des Antriebsmotors gibt Aufschluss darüber, wie stark das Werkzeug belastet wird. Der Nachteil ist jedoch die räumliche Entfernung vom Einsatzort des Werkzeugs. Zwischengeschaltete Systeme wie Schlitten oder Getriebe können diese Messung beeinflussen.
• Die Körperschallmessung an der Maschine ist dazu geeignet, Werkzeugbruch zu vermeiden. Der Schallsensor sollte so nah wie möglich beim Werkzeug installiert werden.
• Die Messung des Drehmoments direkt an der Halterung des Werkzeugs mit Dehnungsmessstreifen ist eine weitere Methode. Die Signale können direkt an die Steuerung der Maschine weitergeleitet werden.
• Die Temperaturmessung am Werkzeug oder am Werkstück gibt ebenfalls Auskunft über den Zustand des Werkzeugs. Beginnt das Werkzeug zu verschleißen, erhöhen sich die Temperaturen, da sich der benötigte Kraftaufwand vergrößert.

Direkte Verfahren:

• Tastende Dimensionsbestimmung durch mechanische oder optische Mittel
• Visuelle Verschleißbestimmung durch Messlupen oder Messmikroskop
• Schaltende Systeme wie Lichtschranken
• Optoelektronische Verschleißanalyse

Welche Werkzeuge für CNC-Maschinen gibt es?

Diese scheinbar einfache Frage zieht weite Kreise. Die Antwort hängt davon ab, wie man Werkzeuge für CNC-Maschinen definiert. Mess- und Spannwerkzeuge können als Teil der Werkzeuge oder als Zubehör von CNC-Maschinen betrachtet werden. Außerdem werden Werkzeuge häufig nach den spezifischen Bedürfnissen für ein bestimmtes Teil angefertigt.

Am einfachsten lassen sich die Werkzeuge für CNC-Maschinen anhand des Fertigungsverfahrens einteilen. Dazu zählen:

• Zerspanen
• Urformen
• Umformen
• Fügen
• Beschichten
• Stoffeigenschaften ändern

Werkzeuge für Zerspanungstechnik

Bei der industriellen Fertigung dominiert die Zerspanungstechnik. Zerspanen bezeichnet unter anderem die Fertigungsverfahren Drehen und Fräsen, bei denen Werkzeuge dem Werkstück eine geometrische Form geben. Dies geschieht auf mechanischem Weg durch das Abtrennen von Spänen. Ein Werkzeug besteht in der Regel aus der Maschinenschnittstelle, mit der das Werkzeug in der Maschine befestigt wird. An einem Schaft sitzt das Schneidteil, dessen Geometrie die Form erzeugt.

Die wichtigsten Verfahren sind:

• Drehen
• Fräsen
• Bohren
• Schleifen

Für Drehen, Fräsen und Bohren benötigt man Werkzeuge mit geometrisch bestimmter Schneide. Für das Schleifen werden Werkzeuge mit geometrisch unbestimmter Schneide eingesetzt, da in der Regel eine große Zahl von Schleifkörnern Späne im Mikrometerbereich erzeugen.

Fräser aus HSS und andere Schneidstoffe

Das rotierende Werkzeug taucht immer wieder in das Werkstück ein. Das bedeutet, dass sich die Kräfte im Lauf der Umdrehung verändern – je nach Richtung des Fräsvorgangs. Beim Gegenlauf-Fräsen bewegt sich die Schneide gegen die Vorschubrichtung. Das bedeutet, dass der Kraftaufwand der Maschine gegen Ende der Umdrehung immer größer wird. Beim Gleichlauf-Fräsen dagegen bewegt sich die Schneide in der Richtung des Vorschubs. Der Kraftaufwand ist beim Eintauchen in das Material am größten und nimmt anschließend ab.

Wichtig: Zähigkeit und Kantenfestigkeit

Weil das Werkzeug bei jeder Umdrehung in den Werkstoff eintaucht und wieder hinausfährt, muss der Schneidstoff extreme Belastungen aushalten. Er muss hohe Zähigkeit besitzen, damit er der schlagartigen Belastung beim Eintauchen standhält. Darüber hinaus muss er unempfindlich gegenüber Temperaturschwankungen sein. HSS-Stahl hat eine höhere Kantenfestigkeit und Zähigkeit als Hartmetall. Das erlaubt größere Span- und kleinere Keilwinkel. Das senkt die benötigte Schnittkraft und macht dünnere Späne möglich. Fräsen von dünnwandigen Werkstücken gehört damit zum Repertoire von CNC-Fräsmaschinen.

Keramik für hohe Temperaturen

Schneidkeramik bei Fräswerkzeugen erlaubt bei bestimmten Werkstoffen eine enorme Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit bis zum Faktor 50. Da Keramik eine hohe Warmfestigkeit aufweist, kann die Temperatur im Spanprozess erhöht werden. Das erweicht den Werkstoff und macht ihn leichter zerspanbar. Auf diese Weise ermöglicht die Schneidkeramik bei erhitzten Nickel-Basis-Legierungen Zerspanung mit Hochgeschwindigkeit.

Polykristalliner Diamant für lange Standzeiten

Polykristalliner Diamant ist ein weiterer Schneidstoff, der hohe Standzeiten von Fräswerkzeugen für Holz-, Kunststoff- und Nichteisen-Metalle garantiert. Bei Schleifwerkzeugen aus polykristallinem Diamant handelt es sich um eine Masse von Diamantpartikeln in einer Metallmatrix. Sie entstehen durch Zusammensintern unter hohem Druck und hohen Temperaturen von Metallen mit Diamantpartikeln.

Die Auswahl des richtigen Werkzeugs

Die Auswahl der richtigen Werkzeuge für eine Zerspantechniken erfordert enormes Fachwissen. Ein Werkzeug kann verschiedene Funktionen ausführen. Bisweilen überlappen sich Drehen, Fräsen, Bohren und sogar Schleifen. Darüber hinaus ermöglichen neue Schneidstoffe und Schleifmittel, dass sich die Funktionen verschiedener Zerspantechniken immer weiter aneinander annähern. Beispielsweise kann Schleifen durch CNC-Maschinen so viel Masse abtragen, dass es dem Fräsen gleicht.

Das rückt den Produktentwicklungsprozess in den Mittelpunkt. Während der Vorlaufzeit der Serienfertigung gilt es, den Einsatz von Werkzeugen genau zu planen. Idealerweise wird dabei auch die Standzeit der verwendeten Werkzeuge analysiert, sodass Werkzeugwechsel routinemäßig geplant werden können. Stillstand durch schadhafte Werkzeuge sollte im Interesse effizienter Wertschöpfungsketten so selten wie möglich vorkommen.