Die Oberflächenqualität oder Oberflächenrauheit von CNC-bearbeiteten Komponenten ist für Hersteller von größter Bedeutung. Das Ziel besteht darin, Teile herzustellen, bei denen im Idealfall keine größeren Nachbearbeitungsvorgänge zur Korrektur von Oberflächenverformungen erforderlich sind.
Realistisch betrachtet ist eine ideale Oberflächengüte möglicherweise nicht möglich, aber die Wahl des Werkzeugs kann das Problem verschlimmern. Material, Größe, Geometrie, Verschleißfestigkeit und Schnittparameter des Werkzeugs beeinflussen die Oberflächenqualität eines CNC-bearbeitetes Teil. Die Auswahl der Werkzeuge muss also nach Abwägung all dieser Faktoren erfolgen.
Dieser Artikel untersucht alle Aspekte eines Schneidwerkzeugs, die die Oberflächenqualität bei der CNC-Bearbeitung beeinflussen, und die Gründe dafür.
Auswahl des Werkzeugmaterials Oberflächenbeschaffenheit
Der erste Einflussfaktor ist die WerkzeugmaterialDer Einfachheit halber betrachten wir drei Arten von CNC-Werkzeugmaschinen: Hartmetall, HSS und Keramik.
Hartmetallwerkzeuge können bei hohen Geschwindigkeiten eine scharfe Kante beibehalten, wodurch engere Toleranzen bei härteren Materialien erreicht werden können. Darüber hinaus ermöglicht ihre hohe Hitzebeständigkeit eine schnellere Bearbeitung ohne Beeinträchtigung der Oberflächenqualität.
Keramik Werkzeuge bieten die höchste Härte aller Schneidwerkzeuge und behalten diese sogar bei hohen Temperaturen. Sie können feine Oberflächen auf schwer zu bearbeitenden Materialien wie gehärtetem Stahl und hochfesten Legierungen erzielen. Sie sind jedoch spröde und können bei Stößen oder niedrigen Geschwindigkeiten brechen.
HSS Schneidwerkzeuge eignen sich aufgrund ihrer Erschwinglichkeit und einfachen Nachschärfung für allgemeine Bearbeitungsaufgaben. HSS-Werkzeuge haben jedoch eine geringere Hitzebeständigkeit, was ihre Leistung bei Hartmetallen einschränkt. Sie neigen dazu, bei großer Hitze schneller stumpf zu werden, was die Oberflächenrauheit erhöhen kann.
Der Einfluss der Werkzeuggeometrie auf die Oberflächengüte
Auch die Positionierung und Größe des Werkzeugs sind wichtig. Ein größerer Durchmesser erhöht die Steifigkeit des Werkzeugs. Dieser Durchmesser erfordert jedoch mehr Maschinenleistung; er kann sich thermisch ausdehnen und bei unsachgemäßer Handhabung eine rauere Oberfläche verursachen. Dünnere Durchmesser sind dagegen flexibel, neigen jedoch zur Verformung.
Der Spanwinkel ist ein weiterer Einflussfaktor. Ein positiver Spanwinkel reduziert die Schnittkräfte und minimiert so den Werkzeugverschleiß und die Oberflächenglätte. Ein zu großer positiver Spanwinkel kann jedoch die Schneide schwächen und zum Abplatzen bringen.
Der Freiwinkel sorgt für Spiel zwischen Werkzeug und Werkstück, um unnötige Reibung zu vermeiden. Wenn der Freiwinkel groß ist, vergrößert sich das Spiel. Und damit auch die Reibung und der Werkzeugverschleiß. Wenn er jedoch zu steil ist, kann er die Werkzeugschneide schwächen und abplatzen lassen.
Eine schärfere Werkzeugkante führt außerdem zu minimaler Verformung und einem saubereren Schnitt. Sehr scharfe Kanten sind jedoch anfälliger für Verschleiß, insbesondere bei härteren Materialien. Für solche Fälle bieten leicht geschliffene oder abgerundete Kanten einen ausgewogenen Ansatz.
Warum Werkzeugbeschichtungen für die Oberflächenqualität wichtig sind
Werkzeugbeschichtungen verbessern die Haltbarkeit des Werkzeugs, verringern die Reibung und regulieren die Wärme – all dies trägt zu einer glatteren Oberfläche der bearbeiteten Oberfläche bei.
Die goldgelbe Titannitrid-Beschichtung (TiN) ist eine beliebte Option für Schneidwerkzeuge. Ihre Schicht/Beschichtung verringert die Haftung zwischen Werkzeug und Werkstück, was letztendlich die Aufbauschneidenbildung (BUE) minimiert – ein Faktor, der die Oberflächenqualität beeinträchtigen kann. Darüber hinaus ist sie thermisch stabil und ermöglicht es den Werkzeugen, mit höheren Geschwindigkeiten zu arbeiten.
DLC-Beschichtungen haben eine außergewöhnliche Härte und einen extrem niedrigen Reibungskoeffizienten, was sie ideal für hochpräzise Aufgaben macht. Die gleitfähige DLC-Oberfläche reduziert die Reibung, die für den Werkzeugverschleiß verantwortlich ist. DLC-beschichtete Schneidwerkzeuge haben bei der Bearbeitung von Aluminium vielversprechende Ergebnisse gezeigt.
Einfluss des Werkzeugverschleißes auf die Oberflächenrauheit
Flankenverschleiß und Vibration sind zwei primäre Verschleißmechanismen, die zu einer erhöhten Rauheit führen können.
Freiflächenverschleiß entsteht, wenn die Freifläche des Werkzeugs an der bearbeiteten Oberfläche reibt und die Schneide dadurch allmählich abgenutzt wird. Mit der Zeit lässt die Schneidfähigkeit des Werkzeugs nach und es entstehen raue Oberflächen durch unregelmäßigen Kontakt. Außerdem entstehen Mikrorillen und Kratzer auf der Oberfläche.
Die Vibration bei der CNC-Bearbeitung ist auch auf Werkzeugverschleiß zurückzuführen, denn wenn die Schneide verschleißt, verliert sie ihre Stabilität. Die Beziehung zwischen Flanke und Vibration ist linear; je höher der Flankenverschleiß, desto höher die Vibration. Unter solchen Bedingungen sind die Rattermarken auf dem Werkstück deutlich sichtbar.
Schnittparameter und ihr Einfluss auf die Oberflächenqualität
Schnittparameter, insbesondere Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit, spielen eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenqualität bei der CNC-Bearbeitung. Sie steuern Schnittkräfte, Werkzeugtemperatur und Spanbildung – die Faktoren, die die Oberflächenrauheit bestimmen.
Die Spindeldrehzahl ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Werkzeug dreht. Bei hohen Drehzahlen überquert die Schneide das Material häufiger, was zu glatteren Schnitten und geringerer Oberflächenrauheit führt. Zu hohe Drehzahlen sind für Metalle aufgrund der Wärmeentwicklung verheerend. Daher muss ein Gleichgewicht gewahrt werden.
Beim Vorschub ist der Trend genau umgekehrt. Ein niedrigerer Vorschub führt oft zu einer feineren Oberflächengüte, da die Schneide pro Durchgang weniger Material bearbeitet, was weniger Werkzeugspuren erzeugt. Studien an CFK-Verbundwerkstoffen zeigen, dass niedrigere Vorschubgeschwindigkeiten helfen, Defekte wie Delamination und Grate zu vermeiden.
Werkzeugwegstrategien und Oberflächenrauheit
Der Werkzeugweg kann die Oberflächenqualität beeinflussen, indem er Kontaktzeit, Richtung und Schnittlastverteilung steuert. Das Beispiel des Gleichlauffräsens kann uns hier helfen.
Beim Gleichlauffräsen schneidet das Werkzeug in die gleiche Richtung wie der Vorschub, wodurch weniger Reibung entsteht und eine glattere Oberfläche entsteht. Beim konventionellen Fräsen hingegen schneidet das Werkzeug gegen den Vorschub. Dies führt zu mehr Reibung, was zu einer raueren Oberfläche führen kann, da sich das Material am Eintrittspunkt verformt.
Von RJCMold angebotene Veredelungsoptionen
Die richtige Werkzeugauswahl kann das Ergebnis der Oberflächenbeschaffenheit beeinflussen. In den meisten Fällen ist es jedoch nicht möglich, eine feine, glatte Oberfläche zu erzielen – CNC-bearbeitete Teile müssen sekundären Endbearbeitungsprozessen unterzogen werden.
Bei RJCMold bieten wir Finishing-Optionen um die Oberflächenqualität von CNC-gefrästen Teilen zu verbessern. Sie können zwischen einer maschinell bearbeiteten (Standard-)Oberfläche, Eloxieren, Pulverbeschichten, Versilbern, Verzinken, Vergolden und Nasslackieren wählen. Darüber hinaus stehen mehrere Oberflächenoptionen für Spritzguss, 3D-Druck und Urethanguss zur Verfügung.
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