Hartmetallwerkzeuge: Solide wie ein Stein

May 16, 2023

Rentner, die dies lesen, erinnern sich vielleicht an die handgeschärften Teile aus Carboloy 883-Hartmetall, die staubig und verschmutzt hinten in ihren Werkzeugkästen lagen. Im Vergleich zu den Schnellarbeitsstahl-Werkzeugeinsätzen, mit denen sich diese einstigen Cincinnati Milacron- und Davenport-Bediener die Zähne ausgebissen haben, bedeutete die weit verbreitete Verwendung von Wolframcarbid damals schnellere Vorschübe und Geschwindigkeiten, längere Werkzeuglebensdauer, höhere Teilequalität und einen größeren Teilestapel am Ende jeder Schicht auf der Bank.

Die Zeiten haben sich geändert, ebenso wie Hartmetall, besser bekannt als Wolframkarbid oder manchmal auch Hartmetall. Auf seine lange Geschichte gehen wir hier nicht näher ein, außer dass wir darauf hinweisen, dass der 100. Geburtstag dieses wichtigsten aller Schneidwerkstoffe näher rückt und wir, wie bei allen Hundertjährigen, abwägen müssen, ob es an der Zeit ist, diesen Maschinenwerkstatt-Veteranen auf die Weide zu schicken .

Im Gegenteil, sagten zahlreiche Hersteller von Schneidwerkzeugen; Jeder der für diesen Artikel befragten Lieferanten ist sich voll und ganz darin einig, dass Hartmetall eine lange und produktive Lebensdauer vor sich hat.

„Der Einsatz von Vollhartmetall nimmt zu, und zwar enorm“, sagte Thomas Raun, Chief Technical Officer bei Iscar USA, Arlington, Texas. „Zugegebenermaßen genießen Wendeschneidplatten- und Wechselsysteme einen großen Teil des Kuchens, aber es gibt immer noch eine große Anzahl von Anwendungen, bei denen man einen Vollhartmetall-Schaftfräser oder -Bohrer nicht ersetzen kann.“

Die Substrat- und Beschichtungstechnologie schreitet weiter voran und ermöglicht immer leistungsfähigere Werkzeuge, die die Effizienz und Rentabilität der Bearbeitungsindustrie erheblich verbessern. Das sagt Sarang Garud, Produktmanager bei Walter USA LLC, Waukesha, Wisconsin. „Dennoch gehen wir davon aus, dass mehr Aluminium in der Automobilindustrie und anderen Industrien verwendet wird, sodass auch polykristalliner Diamant (PKD) deutlich zunehmen wird.“ obwohl Hartmetall die Nummer eins bleiben wird.“

Und Steve Lind, Vizepräsident für Vollhartmetallwerkzeuge für Amerika bei Sandvik Coromant, Mebane, NC, sagte, sein Unternehmen erwarte in absehbarer Zukunft ein anhaltendes Wachstum auf dem Vollhartmetallmarkt. „Ich führe dies vor allem auf die verbesserten Konstruktionsfähigkeiten der Schneidwerkzeughersteller sowie auf fortschrittlichere Schleifgeräte zurück. Das Ergebnis ist eine große Auswahl an Produkten, die es der Industrie ermöglichen, die Vorteile der heutigen hochentwickelten Bearbeitungstechnologie voll auszuschöpfen.“

Das ist nur ein kleiner Auszug der allgemeinen Begeisterung für Vollhartmetall-Schneidwerkzeuge und der Produktivitätssteigerungen, die sie mit sich bringen. Ungeachtet der Konkurrenz waren sich die Experten von Kennametal, Ingersoll Cutting Tools, Horn USA, Ceratizit und Scientific Cutting Tools alle einig, dass die Verwendung von Hartmetall im nächsten Jahrzehnt und darüber hinaus weiterhin florieren wird.

Aber wie Walters Garud bereits angedeutet hat: Wie sieht es mit fortschrittlichen Schneidwerkzeugen aus PKD und kubischem Bornitrid (CBN) aus? Und was ist mit dem ganzen Aufruhr um Vollkeramik-Schaftfräser passiert, mit Fotos aus Hochglanzmagazinen, auf denen Flammen aus Inconel-Werkstücken zu sehen sind, die für Hartmetall zumindest beim Fräsen von Superlegierungen den sicheren Untergang zu bedeuten scheinen? Sicherlich kann Hartmetall nicht mit diesen ultraharten und abriebfesten Schneidwerkzeugmaterialien mithalten?

„In einigen Anwendungen kann Vollkeramik anstelle von Vollhartmetall verwendet werden, insbesondere zum Schruppen“, sagte Danny Davis, leitender Ingenieur bei Kennametal Inc. mit Sitz in Pittsburgh. „Allerdings wird in der Regel immer noch Hartmetall in Verbindung mit Keramik benötigt, um viele Teile fertigzustellen.“ . Darüber hinaus sind bei Keramiken sehr hohe Oberflächengeschwindigkeiten erforderlich, damit das Material richtig plastifiziert wird und die Werkzeuge ordnungsgemäß funktionieren. Nicht jedes Bearbeitungszentrum verfügt über die erforderliche Spindeldrehzahl und Steifigkeit. Diese Gleichung wird sich ändern, wenn wir und andere Anbieter Keramik-Schaftfräser mit größeren Durchmessern einführen und Keramik entwickeln, die weniger strengen Betriebsparametern gerecht wird. Dennoch ist es nicht immer die perfekte Lösung.“

Ceratizit USA Inc., Warren, Michigan, ist ein weiterer Hersteller von Schneidwerkzeugen, der im Bereich Keramikfräsen tätig ist. Auch wenn Dr. Uwe Schleinkofer, Leiter Forschung und Entwicklung bei der Ceratizit-Gruppe, zustimmt, dass die Keramikentwicklung weiter voranschreitet, sieht er nicht, dass dies in absehbarer Zeit eine Herausforderung für Vollhartmetall-Schneidwerkzeuge darstellen wird. „Keramik hat durchaus seinen Platz und ist oft die beste Lösung bei trockenen Bedingungen und erhöhten Spindelgeschwindigkeiten, aber seine Verwendung wird auch in Zukunft in diesen Nischenanwendungen liegen.“

Was PKD-Werkzeuge betrifft, wiederholte Todd White, Vertriebsleiter von Scientific Cutting Tools (SCT) Inc., Simi Valley, Kalifornien, was andere hier sagten: Da Automobilhersteller und insbesondere die Luft- und Raumfahrtindustrie immer mehr Materialien auf Verbundwerkstoffe umstellen, müssen Hersteller von Schneidwerkzeugen damit rechnen erhöhte Nachfrage nach PKD-Produkten sowie Vollhartmetallwerkzeugen mit speziellen diamantähnlichen Beschichtungen (DLC), um diese zu schneiden.

„Werkstücke aus Kohlefaser und Aluminium werden immer häufiger eingesetzt“, sagte Ed Woksa, Direktor für Produktmanagement und Marketing bei Ingersoll Cutting Tools Inc., Rockford, Illinois. „Aus diesem Grund werden PKD- und DLC-Werkzeuge in einigen Nichteisen- und Verbundwerkstoffanwendungen, insbesondere in der Massenproduktion, weiterhin Vollhartmetall-Schaftfräser und -Bohrer ersetzen. Wie jeder, der es verwendet hat, weiß, ermöglicht PKD im Vergleich zu Vollhartmetall deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten, was zu einer höheren Produktivität führt. Dies ist besonders wichtig bei modernen CNC-Geräten, wo schnellere Spindeln und vorausschauende Softwaretechnologie einen höheren Durchsatz ermöglichen. Bei richtiger Anwendung sorgen PKD-Werkzeuge in diesen Materialien auch für eine viel längere Werkzeugstandzeit und bieten so viele Möglichkeiten für die Fertigung ohne Unterbrechung.“

Das denken auch die Werkzeugexperten von Sandvik Coromant. „Wo Keramik und andere fortschrittliche Materialien so konzipiert sind, dass sie gut funktionieren, tun sie das normalerweise auch“, sagte Lind. „Oft werden sie dann in Verbindung mit Vollhartmetallwerkzeugen zum Schruppen eingesetzt. In beiden Fällen deutet dies auf den zunehmenden Einsatz material- und anwendungsspezifischerer Schneidwerkzeuge in der Branche hin. Dies gilt insbesondere für die Materialgruppen der hitzebeständigen Superlegierungen (HRSA), aber auch für Verbundwerkstoffe und für Großserienanwendungen, bei denen eine konstante Werkzeuglebensdauer und Kosten pro Teil von entscheidender Bedeutung sind.“

Wie seine Kollegen ist Davis von Kennametal der Meinung, dass materialspezifische Schneidwerkzeuge sinnvoll sind. Ja, Allzweck- oder sogenannte „GP“-Werkzeuge haben ihre Berechtigung, insbesondere für Lohnfertiger und andere, die unterschiedliche Materialien und Werkstückgeometrien bearbeiten. Dennoch sind es Tools, die auf eine bestimmte Anwendung zugeschnitten sind und häufig den größten Return on Investment bieten.

„Hochleistungswerkzeuge bedeuten weniger Werkzeugwechsel, längere Werkzeuglebensdauer, schnellere Zykluszeiten und vorhersehbarere Prozesse“, sagte Davis. „Wenn man alles zusammenzählt, ist der etwas höhere Preis für eines dieser Tools sehr einfach zu rechtfertigen. Und im Gegensatz zu dem, was viele vielleicht denken, machen Schneidwerkzeuge einen so kleinen Teil der gesamten Herstellungskosten eines Teils aus, dass es eine Schande wäre, die Leistung einer CNC-Werkzeugmaschine nicht durch den Einsatz der richtigen Werkzeuge so weit wie möglich zu maximieren.“

White, Lind und Davis stellten fest, dass ein Großteil dieser Nachfrage nach PKD und anderen materialspezifischen Schneidwerkzeugen aus dem Automobilmarkt kommen wird, wo die Produktion von Elektrofahrzeugen (EV) weiter zunehmen wird, da sich die Welt von Verbrennungsmotoren (ICE) entfernt. . Duane Drape, nationaler Vertriebsleiter bei Horn USA, Inc., Franklin, Tennessee, sieht weitgehend den gleichen Trend, obwohl er seine Bemerkungen abschwächte, indem er erklärte, dass Gas-Elektro-Hybride wahrscheinlich als Brücke zu reinen Elektrofahrzeugen dienen werden.

„Elektrofahrzeuge beginnen tatsächlich, einen Einfluss auf die Gesamtmenge an Karbid zu haben, die Autohersteller verwenden“, sagte er. „Allerdings machen Elektrofahrzeuge immer noch einen sehr kleinen Teil des Marktes aus, und ich denke, dass wir wahrscheinlich noch zwei Jahrzehnte davon entfernt sind, einen nennenswerten Marktanteil zu erobern. Bis dahin wird die Notwendigkeit, Verbrennungsmotoren, Hybrid- und Elektrofahrzeuge gleichzeitig zu produzieren, wahrscheinlich die Nachfrage nach Schneidwerkzeugen aller Art erhöhen.“

Wenn die Umstellung jedoch in vollem Umfang wirksam wird, könnte der Rückgang dramatisch sein. Drape und andere erklärten, dass ein typischer Gasmotor möglicherweise 120 bis 140 Komponenten enthält und 30 bis 40 einzigartige Hartmetallwerkzeuge für die Bearbeitung erfordert, ein Elektrofahrzeug diese beiden Komponenten jedoch um vielleicht 80 Prozent oder mehr reduziert. Und obwohl das eine große Zahl ist, „wird der größte Einfluss auf den Hartmetallverbrauch von Getrieben ausgehen“, sagte er. „Diese enthalten weitaus mehr Teile, die wahrscheinlich unnötig sein werden, wenn die Autohersteller auf Elektrofahrzeuge umsteigen. Im Vergleich dazu sind Motoren kleine Kartoffeln.“

Schleinkofer von der Ceratizit-Gruppe unterstützte dies und verwies auf Studien aus Europa, in denen die Anzahl der Komponenten eines herkömmlichen Antriebsmotors mit denen eines vollelektrischen Motors verglichen wurde, um das Volumen und die Menge der Maschinenmaterialien zu bestimmen. „Die Ergebnisse zeigten, dass bei Fahrzeugen mit Elektroantrieb im Vergleich zu herkömmlichen Automobilen 70 Prozent weniger Bearbeitung erforderlich ist“, sagte er. „Dies wird erhebliche Auswirkungen auf die Metallzerspanungsindustrie haben.“

Doch Walter Tools wies darauf hin, dass der höhere Anteil an Aluminiumkomponenten in Elektrofahrzeugen auch Druck auf Gusseisen ausübt, den langjährigen Liebling der Automobilindustrie. Ironischerweise wird dieser Trend den Verbrauch von Keramik- und insbesondere CBN-Werkzeugen in diesem Sektor verringern, wobei letztere deutlich höheren Schnittgeschwindigkeiten in Gusseisen und gehärteten Stählen standhalten und daher in den letzten Jahren Marktanteile gewonnen haben. Auch hier dürfte Carbide als Sieger hervorgehen.

„Hartmetall verfügt über eine einzigartige Kombination aus Härte und Zähigkeit, die mit anderen Schneidwerkzeugmaterialien kaum zu erreichen ist“, sagte Garud. „In Kombination mit den fortschrittlichen Beschichtungen, die wir derzeit haben und weiterentwickeln werden, bietet es ein sehr großes Anwendungsspektrum, das seinesgleichen sucht.“

Abgesehen von der Veränderung der Automobiltechnologie spielen auch andere Faktoren eine Rolle. Dennis Roepsch, Design Engineering Manager bei Ingersoll Cutting Tools, verwies auf Verbesserungen beim Kunststoffspritzguss, der additiven Fertigung und der Feingusstechnologie und stellte fest, dass „einige Werkstückkomponenten keine Bearbeitung mehr erfordern oder nur minimale Bearbeitungsanforderungen haben.“ Beispielsweise werden Ansaugkrümmer aus Aluminium häufig durch geformte Verbundkunststoffe ersetzt. Außerdem reduzieren Werkstücke mit nahezu endkonturnaher Form die Materialmenge, die geschruppt werden muss, was den Hartmetallverbrauch weiter reduziert.“

Die meisten Experten hier erwähnten eine ähnliche Konsequenz im Bereich der additiven Fertigung. Hier kommen 3D-gedruckte Teile unvollständig aus dem Harztank oder der Baukammer. Kritische Oberflächen müssen bearbeitet, Löcher gerieben oder gebohrt und sogar Merkmale mit relativ offenen Toleranzen in die Spezifikation gebracht werden. Aufgrund des relativ hohen Wertes dieser Teile – deren Druck manchmal Stunden oder Tage dauert – ist es wahrscheinlich, dass Hartmetall-Schneidwerkzeuge die bevorzugte Lösung für die Endbearbeitung sind.

„Außerdem erfordert jedes 3D-gedruckte Teil, das ein Gewinde benötigt, wahrscheinlich einen Gang zum Bearbeitungszentrum oder zur Drehmaschine“, sagte White von SCT. „Aus meiner Sicht ist der kostengünstigste Weg, dies zu erreichen – insbesondere angesichts der geringeren Produktionsmengen beim 3D-Druck – ein Vollhartmetall-Gewindefräser.“

Das gilt sowohl für Teile aus Metall als auch aus Polymer, doch Raun von Iscar sagte, dass ersteres die größte Herausforderung für die Hersteller von Schneidwerkzeugen darstellen werde. „Additive Technologien wie Metallpulverbett und Binderstrahl eröffnen das Potenzial für völlig neue Legierungen, die sowohl fester als auch verschleißfester sind als bestehende Metalle. Ich habe zum Beispiel von einer Mischung aus Wolfram und Aluminium gehört, die meiner Meinung nach ziemlich schwierig zu bearbeiten wäre. Da immer mehr dieser Hybridmaterialien online verfügbar sind, wird es für Schneidwerkzeughersteller eine Belastung sein, Lösungen zu entwickeln, mit denen sich diese Materialien produktiv bearbeiten lassen.“

Es ist Drape von Horn, der die Situation vielleicht am besten auf den Punkt bringt: „Der 3D-Druck wird den Maschinenwerkstätten und den Herstellern von Schneidwerkzeugen letztendlich einiges an Geschäft wegnehmen, aber bis er in der Lage ist, eine höhere Genauigkeit und Oberflächenqualität zu bieten, werden Sie immer noch Bedarf haben.“ Vollhartmetallwerkzeuge für die Endbearbeitung.“

Die Erkenntnis ist klar: Auch wenn der 3D-Druck letztendlich das erreichen könnte, was viele in der Branche seit seiner Einführung vor mehr als drei Jahrzehnten befürchtet haben – nämlich eine geringere Nachfrage nach traditioneller Fertigung –, ist es wahrscheinlicher, dass sich additive und subtraktive Verfahren ergänzen.

Laut Garud von Walter Tools werden die beiden sich wahrscheinlich auch auf andere Weise brauchen. Wie bei allen neuen Technologien wies er darauf hin, dass es schwierig sein kann, das Universum an Möglichkeiten und Auswirkungen zu erkennen, die der 3D-Druck auf lange Sicht auf Vollhartmetallwerkzeuge haben wird. Und doch ist es Additiven bereits gelungen, Titan- und Inconel-Komponenten für die Luft- und Raumfahrtindustrie und andere Branchen zu drucken – und zwar weitaus schneller, als die meisten erwartet hätten. Bedruckte Schneidwerkzeuge scheinen eine Möglichkeit zu sein.

„Wenn dies möglich ist, wird 3D-gedrucktes Hartmetall neue Möglichkeiten für die Werkzeugkonstruktion eröffnen und uns die Möglichkeit geben, sie schnell an spezifische Anwendungen anzupassen“, sagte er. „Es hat sicherlich das Potenzial, die Wettbewerbsbedingungen für die gesamte Branche zu verändern und denjenigen Vorteile zu bieten, die es effektiv nutzen können.“

Ceratizit war anderer Meinung, zumindest aus produktionstechnischer Sicht. „Denken Sie daran, dass wir und andere Einsätze in zwei Sekunden pressen, daher sehe ich nicht, wie das mit dem 3D-Druck funktionieren würde“, sagte Schleinkofer. „Das Verfahren ist viel zu teuer. Bedenken Sie auch, dass dichtes Hartmetall nicht durch Lasersintern hergestellt werden kann. Da nur Rohteile gedruckt werden können, ist nach dem 3D-Druckvorgang immer ein Gang zum Ofen zum Sintern erforderlich. Allerdings verschafft uns der 3D-Druck mehr Flexibilität bei der Umsetzung von Kundenwünschen und eröffnet uns neue Gestaltungsmöglichkeiten, die wir nutzen können, um unseren Kunden hochoptimierte, individuelle Lösungen in kürzester Zeit anzubieten. Es ist eine ideale Lösung für kleine Stückzahlen und hohe Bauteilkomplexität.“

Woksa aus Ingersoll malte ein ähnliches Bild. Er wies darauf hin, dass sich die Technologie für den 3D-Druck von Vollhartmetall- und Wendeplattenwerkzeugen zwar in der Entwicklung befinde, es jedoch praktisch unmöglich sei, mit der aktuellen Hartmetallproduktionstechnologie zu konkurrieren. Die Produktentwicklung von Hartmetalleinsätzen wird jedoch beeinträchtigt, da Sonder- und Kleinserienwerkzeuge und -einsätze aus Hartmetall schneller und wirtschaftlicher hergestellt werden können, wenn kein Matrizensatz erforderlich ist. „Außerdem besteht das Potenzial, einzigartige Fähigkeiten wie Kühlmitteldurchgangslöcher mit punktgenauer Genauigkeit zu entwickeln, die sonst unmöglich wären“, sagte er.

Die Reaktion von Sandvik Coromant war weitgehend die gleiche wie die von Ingersoll. „Wie andere Hersteller von Schneidwerkzeugen befinden wir uns noch in der Entwicklungsphase, obwohl wir davon ausgehen, dass der 3D-Druck unser Angebot auf einzigartige und sehr produktive Weise bereichern wird“, sagte Lind. „Das könnte erwartungsgemäß vom Standpunkt des Prototypings aus gesehen sein, aber es besteht auch das Potenzial für komplexe, fortschrittliche technische Lösungen. Wie gesagt, es ist noch am Anfang des Spiels – aber bleiben Sie dran.“

Auf dem Laufenden zu bleiben ist für jede Technologie ein guter Rat, und Hartmetall-Schneidwerkzeuge bilden da keine Ausnahme. White von SCT versichert uns, dass sich Hartmetallsubstrate und Werkzeugbeschichtungen weiterentwickeln werden, um mit den Materialfortschritten Schritt zu halten.

Und Drape of Horn sagte, dass Hartmetall und Hartmetall-Schneidwerkzeuge immer besser werden, „aber wenn es kein neues Mineral gibt, das reichlich vorhanden und relativ leicht zu bekommen ist, wird es eher in kleinen Schritten als in großen Sprüngen geschehen.“ Er schlug vor, dass diese Verbesserungen in erster Linie in Form fortschrittlicherer Kantenvorbereitungen und -beschichtungen erfolgen werden, mehr noch als beim Hartmetall, obwohl alle drei notwendige Säulen von Hochleistungsschneidwerkzeugen sind.

Davis von Kennametal stimmt voll und ganz zu und dankt den Fortschritten in der Computersoftware und der Werkzeugmaschinentechnologie für die kontinuierliche Verbesserung in den letzten ein oder zwei Jahrzehnten. Vor diesem Hintergrund glaubt er auch, dass die Hartmetall-Werkzeugindustrie in naher Zukunft einige grundlegende Veränderungen erleben wird. „Wir alle entwickeln weiterhin bessere Fräsergeometrien und Beschichtungen, aber der Schlüssel wird darin liegen, diese auf die Mikroebene und nicht auf die Makroebene zu bringen“, sagte er.

Hersteller von Schneidwerkzeugen nutzen die Finite-Elemente-Analyse (FEA), um zu verstehen, wie viel Wärme und Kraft während des Schnitts erzeugt werden, und um optimale Spiralwinkel und Spanbildung lange vor der Herstellung des Werkzeugs zu bestimmen. Auch die Werkzeugmaschinen werden immer besser, und viele Zulieferer verwenden CNC-Schleifmaschinen, die eine Genauigkeit von 1 μm oder besser erreichen können. Beide ermöglichen die Herstellung von Schneidwerkzeugen, die vor nicht allzu langer Zeit noch nicht herzustellen waren. Davis sagte: „Seit ich vor fast vier Jahrzehnten bei Kennametal angefangen habe, hat sich die Technologie sprunghaft weiterentwickelt.“

Raun von Iscar hat eine ähnlich lange Geschichte im Schneidwerkzeuggeschäft. „Verglichen mit dem Hartmetallstab, der verfügbar war, als ich in die Branche einstieg, sind Härte und Dichte auf ein sehr hohes Niveau gestiegen“, sagte er. „Dadurch hält es Verschleiß und Schnittkräften weitaus besser stand als früher. Kombinieren Sie dies mit den modernen Beschichtungen von heute und, wie andere bereits erwähnt haben, den Geometrien und Kantenvorbereitungen, die jetzt verfügbar sind, und Sie verfügen über weitaus leistungsfähigere Schneidwerkzeuge als zuvor. Ich bin der Meinung, dass diese Fortschritte nur dann anhalten werden, wenn sich die Technologie dahinter verbessert.“

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