Im weiteren Sinne umfassen Schneidwerkzeuge sowohl Klingen als auch Schleifwerkzeuge. Die meisten Schneidwerkzeuge sind für den maschinellen Einsatz gedacht, es gibt jedoch auch manuelle Ausführungen. Da Schneidwerkzeuge in der mechanischen Fertigung hauptsächlich zum Schneiden von metallischen Werkstoffen eingesetzt werden, werden unter dem Begriff „Schneidwerkzeuge“ im Allgemeinen Metallschneidwerkzeuge verstanden, während Werkzeuge zum Schneiden von Holz als Holzbearbeitungswerkzeuge bezeichnet werden.

Entwicklungsgeschichte von Hartmetall-Schneidwerkzeugen

Die rasante Entwicklung von Schneidwerkzeugen erfolgte im späten 18. Jahrhundert, parallel zum Wachstum von Maschinen wie der Dampfmaschine. Im Jahr 1783 war René in Frankreich der erste, der einen Fräser herstellte. Im Jahr 1792 stellte Maudslay im Vereinigten Königreich Gewindebohrer- und Matrizensätze her. Der früheste dokumentierte Hinweis auf die Erfindung des Spiralbohrers stammt aus dem Jahr 1822, doch erst 1864 wurde er kommerziell hergestellt. Zu dieser Zeit wurden Werkzeuge aus integralem Werkzeugstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt hergestellt, mit zulässigen Schnittgeschwindigkeiten von etwa 5 Metern pro Minute.

Im Jahr 1868 stellte Mushet im Vereinigten Königreich einen legierten Werkzeugstahl mit Wolfram her. Im Jahr 1898 erfanden Taylor und White in den USA den Schnellarbeitsstahl. 1923 erfand Schröter in Deutschland Hartlegierungen.

Durch den Einsatz von legiertem Werkzeugstahl konnten die Schnittgeschwindigkeiten auf rund 8 Meter pro Minute gesteigert werden, durch Schnellarbeitsstahl auf mehr als das Doppelte und durch den Einsatz von Hartlegierungen noch einmal um mehr als das Doppelte. Auch die Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit der Werkstücke aus spanabhebenden Bearbeitungen verbessert sich deutlich.

Aufgrund der relativ hohen Kosten von Schnellarbeitsstahl und Hartlegierungen wurden im Werkzeugbau geschweißte und mechanisch geklemmte Strukturen eingeführt. Zwischen 1949 und 1950 begann man in den USA mit der Verwendung von Wendeschneidplatten bei Drehwerkzeugen, die sich bald auch auf Fräser und andere Werkzeuge ausdehnten. 1938 erhielt Degussa in Deutschland ein Patent für keramische Schneidwerkzeuge. Im Jahr 1972 produzierte General Electric in den USA polykristalline synthetische Diamant- und polykristalline kubische Bornitrid-Einsätze. Diese nichtmetallischen Werkzeugmaterialien ermöglichten den Werkzeugen das Schneiden mit noch höheren Geschwindigkeiten.

Im Jahr 1969 erhielt Sandvik in Schweden ein Patent für die Herstellung von Hartmetalleinsätzen mit Titankarbidbeschichtungen mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Im Jahr 1972 entwickelten Bondhus und Laguiole in den USA die physikalische Gasphasenabscheidung, bei der Werkzeugoberflächen aus Hartmetall oder Schnellarbeitsstahl mit Hartschichten aus Titankarbid oder Titannitrid beschichtet wurden. Oberflächenbeschichtungsverfahren kombinieren die hohe Festigkeit und Zähigkeit des Grundmaterials mit der hohen Härte und Verschleißfestigkeit der Oberflächenschicht, was zu einer besseren Schneidleistung dieser Verbundwerkstoffe führt.

Kategorisierung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen nach Anwendung

Schneidwerkzeuge können anhand der Form der bearbeiteten Oberfläche des Werkstücks in fünf Kategorien eingeteilt werden. Dazu gehören Werkzeuge zur Bearbeitung verschiedener Außenflächen, wie Drehwerkzeuge, Hobelwerkzeuge, Fräser, Außennutwerkzeuge und Feilen; Werkzeuge für die Lochbearbeitung, wie Bohrer, Reibahlen, Bohrwerkzeuge, Senker und Innennutwerkzeuge; Gewindebearbeitungswerkzeuge, einschließlich Gewindebohrer, Matrizen, automatisch öffnende und schließende Gewindestrehler, Gewindedrehwerkzeuge und Gewindefräser; Werkzeuge zur Zahnradbearbeitung, einschließlich Wälzfräser, Zahnradformer, Zahnradschabfräser und Kegelradbearbeitungswerkzeuge; und Trennwerkzeuge, darunter unter anderem Kreissägeblätter mit eingesetzten Zähnen, Bandsägen, Bügelsägen, Trenndrehwerkzeuge und Sägefräser. Darüber hinaus gibt es Kombinationswerkzeuge.

Basierend auf der Schneidbewegung und der entsprechenden Klingenform können Schneidwerkzeuge weiter in drei Kategorien eingeteilt werden. Allzweckwerkzeuge wie Drehwerkzeuge, Hobelwerkzeuge, Fräser (ausgenommen Formdrehwerkzeuge, Formhobelwerkzeuge und Formfräser), Bohrwerkzeuge, Bohrer, Reibahlen und Sägen; Formwerkzeuge, bei denen die Klingenform dieser Werkzeuge dem Profil des Werkstücks entspricht oder diesem nahe kommt, einschließlich Formdrehwerkzeugen, Formhobelwerkzeugen, Formfräsern, Räumnadeln, konischen Reibahlen und verschiedenen Gewindebearbeitungswerkzeugen; Zahnraderzeugungswerkzeuge, die zur Bearbeitung von Zahnradzähnen oder ähnlichen Werkstücken mit Zahnraderzeugungsverfahren verwendet werden, wie z. B. Wälzfräser, Zahnradstoßfräser, Zahnradschabfräser und Kegelradhobelwerkzeuge.

 

Kategorisierung von Hartmetall-Schneidwerkzeugen nach Form

Werkzeuge mit Griffen gibt es typischerweise in drei Ausführungen: rechteckiger Griff, zylindrischer Griff und konischer Griff. Drehwerkzeuge, Hobelwerkzeuge und andere haben im Allgemeinen einen rechteckigen Griff. Konische Griffe sind so konstruiert, dass sie axialem Schub standhalten und Drehmoment durch Reibungskräfte übertragen. Zylindrische Griffe werden typischerweise für kleinere Werkzeuge wie Spiralbohrer und Schaftfräser verwendet und das Drehmoment wird durch Reibung übertragen, die beim Spannen entsteht. Der Griff vieler Werkzeuge besteht aus niedriglegiertem Stahl, während der Arbeitsteil mit Schnellarbeitsstahl verbunden ist und so die beiden Teile vereint.

Der Arbeitsteil eines Schneidwerkzeugs ist der Bereich, der für die Erzeugung und Verarbeitung von Spänen verantwortlich ist. Dazu gehören die Schneidkante, Strukturen, die die Späne brechen oder rollen, Räume für die Spanabfuhr oder -speicherung, Kanäle für Schneidflüssigkeit und andere Strukturelemente. Bei manchen Werkzeugen besteht der Arbeitsteil ausschließlich aus dem Schneidbereich, beispielsweise bei Drehwerkzeugen, Hobelwerkzeugen, Bohrwerkzeugen und Fräsern. Bei anderen umfasst der Arbeitsteil sowohl den Schneidabschnitt als auch den Kalibrierabschnitt, wie Bohrer, Reibahlen, Senker, Werkzeuge zum Inneneinstechen und Gewindebohrer. Die Aufgabe des Schneidabschnitts besteht darin, Späne mithilfe der Schneidkante zu entfernen, während die Aufgabe des Kalibrierabschnitts darin besteht, die bearbeitete Oberfläche fertigzustellen und das Werkzeug zu führen.

Grundsätze zur Auswahl von Schneidwerkzeugmaterialien

Bei der Auswahl von Zerspanungswerkzeugen müssen verschiedene Faktoren berücksichtigt werden, wie zum Beispiel das Werkstückmaterial, das Werkzeugmaterial und die Bearbeitungseigenschaften (Vor- oder Fertigbearbeitung). Die Wahl muss auf der Grundlage der konkreten Umstände getroffen werden.

Aufgrund seiner hohen Biegefestigkeit, Schlagzähigkeit und guten Bearbeitbarkeit bleibt Schnellarbeitsstahl auch in der heutigen Zeit das am häufigsten verwendete Werkzeugmaterial. Hartmetall folgt als zweitbeliebteste Wahl.

Polykristallines kubisches Bornitrid eignet sich zum Schneiden von vergütetem Stahl mit hoher Härte, gehärtetem Gusseisen und ähnlichen Materialien. Polykristalliner Diamant eignet sich zum Schneiden von Nichteisenmetallen, Legierungen, Kunststoffen und Glasfasern. Kohlenstoff-Werkzeugstahl und legierter Werkzeugstahl werden heute nur noch für Werkzeuge wie Feilen, Gewindebohrer und Matrizen verwendet.

 

Hartmetall-Schneidwerkzeugsorten

Hartmetallsorten für Schneidwerkzeuge werden je nach Anwendungsgebiet in sechs Typen eingeteilt: P, M, K, N, S und H, die jeweils für bestimmte Zwecke verwendet werden:

P: Schneiden langer Späne in Materialien wie Stahl, Stahlguss und Temperguss.

M: Allgemeine Bearbeitung von Legierungen, einschließlich legiertem Stahl, legiertem Gusseisen, rostfreiem Stahl und Manganstahl.

K: Schneiden kurzer Späne in Materialien wie Grauguss.

N: Verarbeitung von Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Werkstoffen.

S: Bearbeitung hitzebeständiger und hochwertiger Legierungswerkstoffe.

H: Schneiden von harten Materialien wie vergütetem Stahl und kaltgehärtetem Gusseisen.

Jede Kategorie hat Untergruppennummern, z. B. 01, 10, 20, 30 und 40 für P, M, K und 01, 10, 20, 30 für N, S, H. Innerhalb jeder Untergruppe wird mit zunehmender Nummer die Die Härte nimmt ab, während die Biegefestigkeit zunimmt.

Die Grundzusammensetzung von P-Legierungen besteht aus TiC und WC als Basis, mit Co (oder Ni) als Bindemittel. Die Sorten M bis H haben alle WC als Basis und Co als Bindemittel, manchmal mit Zusatz von TaC und NbC.

Wolfram-Kobalt-Legierungen (WC-Co) sind die am häufigsten verwendeten Hartmetallmaterialien und bestehen hauptsächlich aus Wolframkarbid (WC) und Kobalt (3% bis 30%). Bei der Verwendung für Schneidwerkzeuge liegt der Co-Gehalt im Bereich von 3% bis 13% und die durchschnittliche WC-Korngröße beträgt 1 bis 5 μm. Bei Werkzeugen kann der Co-Gehalt bis zu 30% betragen, bei einer durchschnittlichen WC-Korngröße von 10 μm.

WC-Co-Hartmetall kann zum Schneiden von Gusseisen, Nichteisenmetallen und nichtmetallischen Materialien verwendet werden. Es kann auch für Ziehmatrizen, Kaltstauchmatrizen sowie Mess- und Schneidwerkzeuge verwendet werden. Das Karbid kann basierend auf dem Kobaltgehalt in Legierungen mit niedrigem Kobaltgehalt, mittlerem Kobaltgehalt und hohem Kobaltgehalt sowie in mikrokristalline, feinkristalline, mittelkristalline und grobkristalline Legierungen basierend auf der WC-Korngröße eingeteilt werden.