In der schnelllebigen Welt der CNC-Bearbeitung sind Geschwindigkeit und Präzision entscheidend. Hochgeschwindigkeitsschneiden (HSC) hat sich zu einem bevorzugten Verfahren für Hersteller entwickelt, die Qualitätsteile in kürzerer Zeit produzieren müssen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Schneidverfahren erfordert HSC extrem hohe Spindeldrehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten, sodass Fräser Material schnell abtragen können, ohne Kompromisse bei der Genauigkeit einzugehen.
Die Leistung des Schneidwerkzeugs spielt dabei eine entscheidende Rolle. Ein Werkzeug, das hohe Geschwindigkeiten bewältigen kann und gleichzeitig scharf, kühl und stabil bleibt, ist entscheidend für die gewünschten Ergebnisse. Deshalb ist das richtige Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeug genauso wichtig wie die Maschine selbst.
Worin unterscheiden sich HSC-Werkzeuge von herkömmlichen Schneidwerkzeugen? Sie bestehen aus modernen Materialien wie Vollhartmetall und sind mit hitzebeständigen Schichten beschichtet. Sie sind so konzipiert, dass sie intensiven Schneidbedingungen standhalten, den Verschleiß reduzieren und eine hervorragende Oberflächengüte liefern.
In diesem Artikel erfahren Sie alles, was Sie über Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge wissen müssen – von ihrer Funktionsweise über die Materialien, ihre Vorteile und Anwendungen bis hin zu Expertentipps für deren effiziente Nutzung. Egal, ob Sie neu in CNC Für erfahrene Maschinisten hilft Ihnen dieser Leitfaden dabei, das Beste aus Ihren HSC-Werkzeugen herauszuholen.
Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge (HSC) sind speziell entwickelte Schneidwerkzeuge, die in der CNC-Bearbeitung zum Materialabtrag mit sehr hoher Geschwindigkeit eingesetzt werden. Sie sind für höhere Spindeldrehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten als herkömmliche Werkzeuge ausgelegt und bieten gleichzeitig höchste Genauigkeit, Festigkeit und Langlebigkeit. Ihr Ziel ist es, die Produktivität zu steigern, die Bearbeitungszeit zu verkürzen und hervorragende Oberflächengüten zu erzielen.
Das Konzept des Hochgeschwindigkeitsschneidens geht auf die Erfindung des Schnellarbeitsstahls (HSS) im frühen 20. Jahrhundert zurück. HSS revolutionierte damals die spanende Bearbeitung, da es höhere Schnittgeschwindigkeiten als ältere Kohlenstoffstähle ermöglichte.
Im Laufe der Zeit wurden neuere Materialien wie Vollhartmetall, Keramik und CBN (kubisches Bornitrid) entwickelt. Diese Materialien ermöglichten noch höhere Geschwindigkeiten, längere Werkzeugstandzeiten und eine verbesserte Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien.
Die Schnittgeschwindigkeit wird üblicherweise in Fuß pro Minute (SFM) oder Metern pro Minute (MPM) gemessen. Beim HSC-Fräsen laufen Werkzeuge je nach Material und Werkzeugdurchmesser oft mit Spindeldrehzahlen von über 10.000 U/min.
Die Oberflächengeschwindigkeit gibt an, wie schnell das Werkzeug über die Oberfläche des Werkstücks schneidet – und sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung von Effizienz und Qualität.
Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge werden häufig in Branchen eingesetzt, in denen Präzision und Geschwindigkeit erforderlich sind, wie beispielsweise:
● Luft- und Raumfahrt (Aluminium- und Titankomponenten)
● Automobilindustrie (Motorteile, Formen)
● Formen- und Matrizenbau (Hartstahl und Graphit)
● Medizinische Fertigung (Titanimplantate, chirurgische Instrumente)
HSS galt einst aufgrund seiner Zähigkeit und der Fähigkeit, die Härte auch bei höheren Temperaturen beizubehalten, als Standard für Schneidwerkzeuge. Es wird auch heute noch für allgemeine Bearbeitungszwecke und bei niedrigeren Geschwindigkeiten verwendet.
Vorteile: Preiswert, leicht zu schärfen, robust
Nachteile: Schneller Verschleiß bei hohen Geschwindigkeiten
Es gibt zwei Haupttypen von Hartmetallwerkzeugen: Vollhartmetall Und Hartmetalleinsätze. Vollhartmetall ist extrem hart und perfekt für Hochgeschwindigkeitsanwendungen, während Hartmetalleinsätze kosteneffizient sind, da nur der Einsatz ausgetauscht werden muss.
Vorteile: Hervorragende Verschleißfestigkeit, behält seine Härte bei hohen Temperaturen
Nachteile: Spröde, teurer als HSS
Keramikwerkzeuge eignen sich ideal für das Hochgeschwindigkeitsschneiden harter Materialien wie Gusseisen und hitzebeständiger Legierungen. Sie können bei sehr hohen Temperaturen ohne Leistungsverlust eingesetzt werden.
Vorteile: Sehr hitzebeständig, ideal für harte Materialien
Nachteile: Spröde, eingeschränkte Verwendung auf weicheren Metallen
Cermets kombinieren keramische und metallische Werkstoffe und bieten eine gute Verschleißfestigkeit und Oberflächengüte. CBN ist nach Diamant die zweithärteste Werkstoffart und eignet sich perfekt für gehärtete Stähle.
Vorteile: Lange Lebensdauer, hervorragend für die Endbearbeitung gehärteter Teile
Nachteile: Teuer, auf bestimmte Anwendungen beschränkt
Diese werden zur Bearbeitung von Nichteisenmetallen wie Aluminium, Verbundwerkstoffen und Kunststoffen verwendet. Sie bieten unübertroffene Verschleißfestigkeit und Oberflächengüte.
Vorteile: Erstklassiges Finish, extrem langlebig
Nachteile: Nicht für Stahl geeignet, hohe Kosten
Die Materialwahl hängt vom Werkstückmaterial, der Schnittgeschwindigkeit und der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit ab. Beispielsweise eignen sich Hartmetall- oder Keramikwerkzeuge ideal für zähe Metalle bei hohen Geschwindigkeiten, während HSS für weichere Metalle und niedrigere Geschwindigkeiten besser geeignet sein kann.
Die Werkzeuggeometrie hat einen großen Einfluss auf die Schneidleistung, die Spanabfuhr und die Wärmekontrolle bei Hochgeschwindigkeitsvorgängen.
● Der Spanwinkel bestimmt, wie das Werkzeug das Material schneidet – ein positiver Spanwinkel verringert Schnittkräfte und Hitze.
● Der Spiralwinkel beeinflusst den Spanfluss und die Oberflächenbeschaffenheit; höhere Winkel sind besser für weiche Materialien.
● Bei Werkzeugen wie Schaftfräsern ist die Nutenform entscheidend, da sie beim Hochgeschwindigkeitsschneiden zur Abfuhr von Spänen beiträgt und ein Verstopfen verhindert.
Die richtige Geometrie trägt dazu bei, Vibrationen zu reduzieren, die Lebensdauer des Werkzeugs zu verlängern und die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern.
Moderne Schneidwerkzeuge verfügen oft über fortschrittliche Beschichtungen, um der intensiven Hitze und Belastung beim Hochgeschwindigkeitsschneiden standzuhalten. Beliebte Beschichtungen sind:
● TiAlN (Titan-Aluminium-Nitrid): Hervorragende Hitzebeständigkeit
● TiCN (Titancarbonitrid): Erhöht die Härte und Verschleißfestigkeit
● AlCrN (Aluminium-Chrom-Nitrid): Ideal für die Trockenbearbeitung
● DLC (Diamond-Like Carbon): Reduziert die Reibung beim Nichteisenschneiden
● Diamantbeschichtung: Ideal für ultraharte Materialien wie Verbundwerkstoffe und Graphit
Beschichtungen bilden eine thermische Barriere, reduzieren die Reibung und verhindern, dass Material am Werkzeug haften bleibt. Dies führt zu einer längeren Werkzeuglebensdauer, geringerem Verschleiß und einer besseren Oberflächengüte, insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsvorgängen.
Beschichtete Werkzeuge halten oft zwei- bis fünfmal länger als unbeschichtete. Beispielsweise kann ein TiAlN-beschichteter Schaftfräser in hartem Stahl seine Schärfe behalten, wo ein unbeschichtetes Werkzeug schnell versagen würde.
Einer der größten Vorteile von Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeugen ist ihre Fähigkeit, Material schnell zu entfernen. Dank höherer Spindeldrehzahlen und optimierter Werkzeugwege können diese Werkzeuge Werkstücke deutlich schneller bearbeiten als herkömmliche Werkzeuge.
Hochgeschwindigkeitsschneiden erzeugt sauberere und glattere Oberflächen. Da sich das Werkzeug schnell und präzise bewegt, werden Vibrationen reduziert und Werkzeugspuren minimiert, was insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und im Formenbau wichtig ist.
In Kombination mit den richtigen Vorschüben, Drehzahlen und Werkzeughaltern halten HSC-Werkzeuge deutlich länger. Hitzebeständige Materialien und Beschichtungen reduzieren den Verschleiß und sorgen dafür, dass die Schneide länger scharf bleibt.
Dank höherer Schnittgeschwindigkeiten und reduzierter Ausfallzeiten für Werkzeugwechsel oder Nacharbeiten können Hersteller mehr Teile in kürzerer Zeit produzieren. Dies führt zu einer besseren Maschinenauslastung und einer schnelleren Bearbeitung von Kundenaufträgen.
Obwohl Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge im Anschaffungspreis höher ausfallen, führen sie oft zu niedrigeren Stückkosten. Die Kombination aus Geschwindigkeit, Genauigkeit und Langlebigkeit der Werkzeuge bedeutet weniger Werkzeugwechsel, reduzierten Arbeitsaufwand und weniger Ausschuss – alles zusammen führt zu erheblichen Einsparungen bei Großserien.
Viele HSC-Prozesse verbrauchen weniger Kühlmittel oder laufen sogar trocken. Dadurch reduzieren sie die Umweltbelastung und die Kosten für Kühlmittelentsorgung und -wartung. Das macht sie zu einer nachhaltigeren Wahl für die moderne Zerspanung.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie setzt bei der Bearbeitung leichter und dennoch robuster Materialien wie Aluminiumlegierungen und Titan stark auf Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge. HSC-Werkzeuge ermöglichen enge Toleranzen, glatte Oberflächen und schnelle Zykluszeiten – entscheidend für Teile wie Turbinenschaufeln, Strukturrahmen und Motorkomponenten.
In der Automobilindustrie sind Geschwindigkeit und Effizienz entscheidend. HSC-Werkzeuge werden zur Bearbeitung von Gusseisen, Stahllegierungen und Aluminium für Teile wie Motorblöcke, Bremskomponenten und Getriebeteile eingesetzt. Die Möglichkeit, mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten zu arbeiten, steigert die Produktivität und verkürzt die Durchlaufzeiten in der Massenproduktion.
In dieser Branche werden häufig Hartstähle, Graphit und sogar Kupferlegierungen verarbeitet. Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge ermöglichen eine präzise Formgebung der Hohlräume und detaillierte Oberflächenbearbeitungen, die für Formen im Kunststoffspritzguss, Metallguss und Stanzen unerlässlich sind.
Präzision und Sauberkeit sind in der medizinischen Fertigung unverzichtbar. HSC-Werkzeuge werden zur Bearbeitung von Edelstahl, Titan und Kobalt-Chrom eingesetzt, um chirurgische Instrumente, Implantate und Prothesen mit ultraglatten Oberflächen und komplexen Geometrien herzustellen.
In der Elektronik- und Kleinteilefertigung eignen sich HSC-Werkzeuge ideal für die Bearbeitung von Kunststoffen, Kupfer und anderen Nichteisenmetallen. Diese Werkzeuge ermöglichen Feinschnitte, Hochgeschwindigkeitsbohren und die Einhaltung enger Toleranzen bei Komponenten wie Steckverbindern, Gehäusen und Mikrochips.
Nicht alle CNC-Maschinen sind für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ausgelegt. Spezialisierte Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentren (HSM) sind auf die Anforderungen hoher Spindeldrehzahlen und schneller Werkzeugbewegungen ausgelegt. Diese Maschinen werden häufig in Branchen eingesetzt, in denen Präzision und Geschwindigkeit gefragt sind, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und im Formenbau.
Um HSC-Werkzeuge zu unterstützen, muss eine CNC-Maschine über Folgendes verfügen:
● Hohe Spindeldrehzahlen, oft im Bereich von 15.000 bis 60.000 U/min
● Automatische Werkzeugwechsler (ATCs) für schnelle Wechsel zwischen Werkzeugen
● Thermische Stabilität zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit während langer Bearbeitungssitzungen
Diese Funktionen tragen dazu bei, auch unter extremen Schneidbedingungen eine gleichbleibende Leistung aufrechtzuerhalten.
Bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungen können Vibrationen entstehen, die die Werkzeugstandzeit und die Teilegenauigkeit beeinträchtigen. Daher sind Maschinen mit hoher struktureller Steifigkeit und aktiven Schwingungsdämpfungssystemen für eine erfolgreiche Hochgeschwindigkeitsbearbeitung unerlässlich.
Moderne CNC-Maschinen nutzen Hochgeschwindigkeitssteuerungen und optimierte CAM-Software. Diese Werkzeuge berechnen gleichmäßigere Werkzeugwege, steuern Beschleunigung und Verzögerung und reduzieren unnötige Maschinenbewegungen. Dies führt zu schnelleren Zykluszeiten, besseren Oberflächengüten und geringerem Verschleiß an Werkzeug und Maschine.
Beim Hochgeschwindigkeitsschneiden entsteht naturgemäß mehr Wärme. Bei unsachgemäßer Handhabung kann diese Wärme zu thermischen Verformungen des Werkstücks oder des Werkzeugs führen und die Maßgenauigkeit beeinträchtigen. Geeignete Kühlstrategien und Werkzeugbeschichtungen sind entscheidend, um die Wärmeentwicklung zu minimieren.
Aufgrund der hohen Schnittgeschwindigkeiten kommt es zu schnellerem Werkzeugverschleiß, insbesondere bei der Bearbeitung harter oder abrasiver Materialien. Unsachgemäßer Umgang kann zudem zu Werkzeugabsplitterungen oder -brüchen führen, was die Teilequalität beeinträchtigt und Ausfallzeiten erhöht.
Bei hohen Drehzahlen kann jede Unwucht im Schneidwerkzeug oder Werkzeughalter zu Vibrationen, verminderter Genauigkeit und schlechter Oberflächengüte führen. Präzise ausgewuchtete Werkzeughalter und dichte Spannsysteme sind für einen sicheren und stabilen Betrieb unerlässlich.
Falsche Vorschubgeschwindigkeiten oder Spindeldrehzahlen können zu Werkzeugversagen oder minderwertigen Ergebnissen führen. CNC-Bediener müssen diese Parameter für jeden Auftrag sorgfältig berechnen und optimieren und dabei Material, Werkzeugtyp und gewünschtes Finish berücksichtigen.
Die Wahl des richtigen Verfahrens – Gleichlauffräsen vs. konventionelles Fräsen oder Trocken- vs. Nassfräsen – beeinflusst Wärmeableitung, Standzeit und Oberflächenqualität. Gleichlauffräsen in Kombination mit Hochgeschwindigkeitseinstellungen wird oft für bessere Oberflächengüten bevorzugt.
Regelmäßige Maschinenkalibrierung und -wartung sind in HSC-Umgebungen unerlässlich. Selbst kleine Fehlausrichtungen oder Verschleiß in Spindellagern können bei hohen Geschwindigkeiten zu erheblichen Problemen führen und die Werkzeuglebensdauer sowie die Teilegenauigkeit verringern.
Hier ist die Liste ohne Überschriften:
● Sorgen Sie für eine ordnungsgemäße Inspektion und Auswuchtung der Werkzeughalter, um Vibrationen bei hohen Drehzahlen zu minimieren.
● Wählen Sie je nach Arbeitsvorgang das passende Kühlmittel oder Schmiermittel, beispielsweise MMS (Minimalmengenschmierung) oder Trockenschnitt.
● Behalten Sie den Werkzeugverschleiß im Auge, um plötzliche Ausfälle zu vermeiden und eine gleichbleibende Teilequalität aufrechtzuerhalten.
● Verwenden Sie fortschrittliche CAM-Software, um optimierte Werkzeugpfade für Hochgeschwindigkeitsschneidvorgänge zu erstellen.
● Passen Sie Vorschubgeschwindigkeiten und Bearbeitungsstrategien anhand von Echtzeit-Leistungsdaten an, um die Effizienz und die Werkzeuglebensdauer zu verbessern.
Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeuge sind für die moderne Fertigung unverzichtbar und bieten erhebliche Vorteile hinsichtlich Geschwindigkeit, Präzision und Produktivität. Durch das Verständnis von Materialien, Geometrie, Beschichtungen und kompatiblen Maschinen können Hersteller die Werkzeugleistung optimieren und hervorragende Ergebnisse erzielen.
Um die Werkzeuglebensdauer zu maximieren und Ausfallzeiten zu minimieren, müssen jedoch Herausforderungen wie Wärmeentwicklung, Werkzeugverschleiß und Bearbeitungsstrategien sorgfältig beachtet werden.
Durch die Anwendung bewährter Verfahren wie Werkzeugauswuchten, Verschleißüberwachung und den Einsatz moderner CAM-Software können Hersteller ihre Bearbeitungsprozesse optimieren und eine hohe Effizienz bei Hochgeschwindigkeitsschneidanwendungen gewährleisten. Die Zukunft des Hochgeschwindigkeitsschneidens ist dank kontinuierlicher Material- und Technologieentwicklung vielversprechend.
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