Werkzeuge mit Hochdruckkühlung verbessern die Spankontrolle

Die meisten Maschinenhersteller ermöglichen den Einsatz von Hochdruckkühlschmiermitteln auf ihren CNC-Maschinen. Die Verbreitung dieser Maschinen hat zu einer Neubewertung des Einsatzes von Kühlschmierstoffen geführt.

Hochdruckkühlung bietet wichtige Vorteile

Bisher setzen viele Betriebe trotz moderner Maschinen immer noch auf die konventionelle Kühlung. Dabei bietet eine Hochdruckkühlung entscheidende Vorteile im Hinblick auf Produktivität, Werkstückqualität und Standzeit. Besonders in Kombination mit entsprechenden Werkzeugkonzepten kann die Hochdruckkühlung (HPC/High Pressure Coolant) ihr Potenzial bei schwer zerspanbaren Werkstückstoffen ausspielen.

Bei der konventionellen Kühlung wird der Kühlmittelstrahl grob auf die Bearbeitungszone ausgerichtet oder diese wird komplett geflutet. Zur effektiven Nutzung von Kühlschmierstoffen gehört mehr: Das Kühlmittel muss unter Hochdruck, genau ausgerichtet auf die Kontaktzone zwischen der Schneidkante und dem Span sowie mit ausreichendem Volumen zugeleitet werden.

Nur so kann die Hochdruckkühlung alle ihre Vorteile ausspielen und dabei wichtige Aspekte des Zerspanungsvorgangs verbessern. Wärmeableitung, Spanformung und -abfuhr, die Entstehung von Aufbauschneiden an der Schneidkante, Werkzeugverschleiß, Oberflächengüte – diese Parameter beeinflussen die Produktivität, die Standzeit, die Spankontrolle und die Werkstückqualität. Und sie sind alle Schlüsselfaktoren für die Verbesserung eines Zerspanungsvorganges und damit auch für die Wettbewerbsfähigkeit des zerspanenden Betriebes.

Hochdruckkühlung vor allem zur Bearbeitung rostfreier und kohlenstoffarmer Stähle geeignet

Die Hochdruckkühlung bringt ihre Vorteile bei der Bearbeitung rostfreier und kohlenstoffarmer Stahlsorten zur Geltung. Gerade bei schwierig zu zerspanenden Materialien wie Titan- und hitzeresistenten Superlegierungen sind die positiven Effekte des Einsatzes von HPC deutlich zu erkennen. Durch die Entwicklung innovativer Maschinen und Werkzeuge lohnt sich die Nutzung für immer breitere Anwenderkreise.

Während der 80er und 90er Jahre entwickelte Sandvik Coromant Jetbreak, das erste Hochdruckkühlschmiersystem. Das Konzept, genau ausgerichtete Kühlmittelstrahlen mit sehr hohen Drücken zwischen 100 und 1000 bar einzusetzen, entstand auf Basis eigener Grundlagenforschung.

Hochdruckkühlung reduziert Kontaktdauer zwischen Span und Schneidkante der Wendeschneidplatte

Durch den hohen Druck und die genaue Ausrichtung der Kühlschmiermittelzuführung bildet die Flüssigkeit einen Keil zwischen Span und Schneidkante der Wendeschneidplatte. Dadurch sinkt die Kontaktdauer, was eine Reduktion der Temperatur in der Spanzone bewirkt. Außerdem ermöglicht Jetbreak die Beeinflussung der Spanform und somit eine verbesserte Spankontrolle und einen früheren Spanbruch.

Jetbreak wurde zunächst für ein begrenztes Spektrum spezieller Anwendungen eingesetzt. Dazu zählten schwer zerspanbare Materialien oder die Fließspanbildung. Dabei sammelte Sandvik weitere Erkenntnisse zu den Wirkungen der Kühlschmierstoff- und Druckverteilung sowie über den Einfluss der Düsengröße.

Die Variation dieser Einstellungen ermöglicht eine flexible Beeinflussung der Spanform, der Spanlänge und den kontrollierten Spanabfluss in eine bestimmte Richtung. Vereinzelte Installationen von Jetbreak gab und gibt es in der Energie-, Luft- und Raumfahrt- sowie in der Kugellagerindustrie. Allerdings benötigt Jetbreak auch heute noch eine individuelle Installation mit Sonderwerkzeugen, die vor allem auf Vertikaldrehmaschinen eingesetzt werden.

Kühlschmiersysteme von CNC-Maschinen liefern Arbeitsdrücke zwischen 70 und 100 bar

Heute verfügen die meisten CNC-Maschinen, ob bereits als Standard oder optional, über ausreichend dimensionierte Tanks und Pumpen und damit über Kühlschmiermittelsysteme, die Arbeitsdrücke zwischen 70 und 100 bar liefern können. Diese Standards reichen aus, um Hochdruckkühlung einzusetzen. So ausgerüstete Bearbeitungs- und Drehzentren, Dreh- und Multitask-Maschinen erreichen bessere Leistungen und Ergebnisse.

Durch die Integration in modulare Werkzeugsysteme kann die Hochdruckkühlung weitere Produktivitätsgewinne generieren. Der schnelle Werkzeugwechsel reduziert Nebenzeiten und das modulare System schafft eine sichere Verbindung mit der Kühlschmiermittelzuleitung. Dadurch sinkt das Risiko von Leckagen und Druckschwankungen. Eine zuverlässige Versorgung der Schneidkante mit dem Kühlschmierstoff ist damit sichergestellt.

Das modulare Schnellwechsel-Werkzeugsystem Coromant Capto war von Anfang an die Werkzeugplattform für die Jetbreak-Entwicklung. Auch heute dient das System als Basis für Coro-Turn HP, das neue Standard-Hochdruckkühlsystem für die Drehbearbeitung.

Schnellwechsel-Werkzeugsystem für Hochdruckkühlung geeignet

Mit seiner integrierten Kühlmittelzufuhr und der Auslegung für hohe Drücke eignet sich Coromant Capto für diese Aufgabe. Außerdem ist es mittlerweile ein etablierter ISO-Standard und als Option auf vielen CNC-Maschinen mit festen und angetriebenen Werkzeugen erhältlich.

Coro-Turn HP ermöglicht es, genau ausgerichtete Kühlmittelstrahlen mit flächigem Parallelfluss einzusetzen. Durch die Montage der Düsen nahe an der Schneidkante entfernen die Hochgeschwindigkeitsstrahlen den Span von der Wendeplattenoberfläche. Zugleich kühlen sie, sorgen für einen besseren Spanbruch und somit kurze Späne für die sichere Spanabfuhr. Die Standardgröße der Düsen beträgt 1 mm. Darüber hinaus sind Größen zwischen 0,6 und 1,2 mm für die Feinabstimmung erhältlich.

Bei Schlichtoperationen zeigt sich der positive Effekt von Coro-Turn HP schon bei niedrigeren Drücken um die 10 bar. Dies betrifft Materialien wie Stahl und rostfreien Stahl, Aluminium, Titan, aber auch hochtemperaturfeste Superlegierungen. Neben einer sehr hohen Prozesssicherheit durch die verbesserte Spankontrolle ermöglicht HPC höhere Schnittgeschwindigkeiten und längere Standzeiten von bis zu 50%.

Schnittgeschwindigkeit beeinflusst den Werkzeugverschleiß

Die Temperatur in der Schnittzone und der damit verbundene Werkzeugverschleiß werden besonders von der Schnittgeschwindigkeit beeinflusst. Bei der Zerspanung von Titan bewirkt eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit außerhalb des Zerspanbarkeitsfensters eine dramatische Reduzierung der Standzeit. Wird stattdessen der Vorschub im gleichen Verhältnis wie die Schnittgeschwindigkeit erhöht, wird die Standzeit nur wenig verringert.

Auf den ersten Blick erscheint die Steigerung des Vorschubs als attraktiver Weg zu höheren Zerspanungsraten. Betrachtet man jedoch die bei hohen Vorschubraten entstehenden enormen Schnittkräfte und deren negative Auswirkungen auf die Spankontrolle, ist dieses Vorgehen nicht grundsätzlich zu empfehlen.

Hochdruckkühlung erlaubt höhere Schnittgeschwindigkeiten

Abhilfe schafft die Hochdruckkühlung. Sie hat das Potenzial zur Steigerung der Schnittgeschwindigkeit ohne den begleitenden Temperaturanstieg, ohne Verlust an Standzeit und mindert dabei außerdem einen Anstieg der Schnittkräfte bei höheren Vorschüben. Bei ISO-S-Materialien ergibt sich eine 20-prozentige Steigerung der Schnittgeschwindigkeit bei gleicher Schnittlänge.

Bei der Bearbeitung relativ großer und tiefer Bohrungen mit Bohrstangen können modulare Werkzeugsysteme wie Coro-Turn SL ihre Vorteile mit HPC noch besser ausspielen: Weil der Schneidkopf unabhängig von der Bohrstange einfach und schnell ausgetauscht werden kann, ist es möglich, mehrere Arbeitsschritte flexibel mit dem gleichen Grundsetup auszuführen.

Der Einsatz von Hochdruckkühlschmierstoffen führt dabei zu einer besser kontrollierbaren Spanformung und einer reduzierten Scherwirkung. Das macht die Bearbeitung verschleißarm und sicher.

Werkzeugsystem für große und tiefe Bohungen auf Hochdruckkühlung vorbereitet

Das Coro-Turn-SL-System kombiniert vibrationsgedämpfte Bohrstangen mit einer stabilen Schneidkopf-Werkzeugschnittstelle. Diese Kombination eignet sich für Auf- und Tiefbohroperationen bis zum 10-Fachen des Stangendurchmessers und ist ab Werk für die Nutzung von Hochdruckkühlung vorbereitet.

Auch beim Fräsen anspruchsvoller Materialien bringt HPC seine Vorteile zur Geltung. Der Coro-Mill 690 ist ein speziell für die Zerspanung von Titanlegierungen entwickelter Walzenstirnfräser mit Hochdruckkühlschmiermittel-Vorbereitung.

Wendeschneidplatten einzeln mit Kühlschmierstoffzuführung ausgestattet

Jeder einzelne der Wendeschneidplattensitze verfügt über eine eigene Kühlschmiermittelzuführung. So kann jede einzelne Platte von den Vorteilen des Hochdruckkühlmittelstrahls profitieren.

Wird die volle Eintauchtiefe des Fräsers nicht benötigt, können die ungenutzten Kühlmittelzuführungen verschlossen werden, um keinen Kühlmitteldruck zu verschwenden. Die Kühlmitteldüsen an der Stirnseite des Fräsers sind so positioniert, dass sie die Spanabfuhr unterstützen und somit das erneute Schneiden von Spänen vermeiden, vor allem bei der Bearbeitung von Taschen und Aussparungen mit erschwerter Spanabfuhr.

Rechner ermittelt die idealen HPC-Parameter

Da Titan ein reaktionsfreudiges Material ist, neigt es dazu, Aufbauschneiden zu bilden und sich mit der Wendeplatte zu verschweißen. Dieses Phänomen verkürzt die Standzeit dramatisch. Die Lösung liegt auch dort in der Hochdruckkühlung, die die Bildung von Aufbauschneiden wirksam verhindert.

Mit einem speziellen Rechner lassen sich die idealen HPC-Parameter ermitteln. Eingegeben werden unter anderem die Kühlmitteldurchflussmenge und der Kühlmitteldruck, die Schnittdaten, die axiale Schnitttiefe und die Werkzeugspezifikation. Das Ergebnis liefert eine Empfehlung für die optimale Düsengröße, die für einen reduzierten Durchflussbedarf bei konstant hohem Kühlmitteldruck an bestimmten Zuführungen sorgt.

Hochdruckkühlung steigert Oberflächenqualität

Die Temperaturen und die bei der Bearbeitung entstehenden Schnittkräfte führen zu Schwankungen in der Oberflächenqualität. Weil bereits die konventionelle Kühlung zu besseren Oberflächen beiträgt, haben Hochdruckkühlmittel nachweislich einen entscheidenden Einfluss auf das Ergebnis der Endbearbeitung.

Auch dabei sind die Kühlmittelstrahlen genau auf den Teil der Wendeplatte gerichtet, der im Kontakt mit der zu schlichtenden Oberfläche steht. Die festgelegte Ausrichtung vermeidet Abweichungen des Strahls und eliminiert so eventuelle Fehlerquellen. Das Resultat ist ein sicherer und gleichmäßiger Bearbeitungsprozess, der einwandfreie Oberflächen liefert.

Der Einsatz von Hochdruckkühlschmiermitteln kann Fehler bei anderen Anwendungsparametern – zum Beispiel eine falsche Wendeschneidplatte, Instabilität oder falsche Schnittdaten – jedoch nicht kompensieren. HPC ist ein „Zerspanungsoptimierer“ bei ansonsten korrekten Grundeinstellungen. Die Hochdruckkühlung bietet somit die Möglichkeit, Durchlaufzeiten zu reduzieren, konstant ausgezeichnete Werkstückqualität zu liefern sowie die Prozesssicherheit beim Drehen und Fräsen zu steigern.

Werner Appuhn ist Leiter Produktmanagement Drehwerkzeuge bei der Sandvik Tooling Deutschland GmbH, 40549 Düsseldorf, Christer Richt ist technischer Autor in der Marketingabteilung von Sandvik Coromant AB in Sandviken (Schweden).