CNC-Werkzeugmaschinen: Der umfassende Leitfaden für Ingenieure zu Typen, Werkstoffen und Auswahlkriterien

Eine CNC-Maschine ohne Schneidwerkzeug ist eine Bewegungssteuerung. Sie kann ihre Achsen mit einer Wiederholgenauigkeit im Submikrometerbereich bewegen, komplexe 5-Achsen-Werkzeugwege ausführen und programmierte Vorschubgeschwindigkeiten mit perfekter Konsistenz anwenden – doch ohne ein Schneidwerkzeug in der Spindel wird kein Material abgetragen und kein Werkstück gefertigt.

CNC-Werkzeugmaschinen sind die physischen Schneidwerkzeuge – Schaftfräser, Bohrer, Reibahlen, Gewindebohrer, Bohrstangen, Planfräser, Drehplatten und zugehörige Komponenten –, die als Schnittstelle zwischen der mechanischen Bewegung der Maschine und dem Werkstückmaterial dienen. Jede Oberfläche, jede Bohrung, jedes Gewinde und jedes Profil an einem CNC-bearbeiteten Bauteil wurde durch eine bestimmte Werkzeuggeometrie bei einer bestimmten Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit erzeugt.

Die Werkzeugauswahl ist kein Nebenaspekt. Ein für das Material oder die Bearbeitungsart ungeeignetes Werkzeug führt zu einer schlechten Oberflächengüte, ungenauen Maßen, erhöhtem Werkzeugverschleiß und – im schlimmsten Fall – zu einem Werkzeugbruch, der das Werkstück und die Maschine beschädigt. Das richtige Werkzeug, das mit den geeigneten Parametern betrieben wird, erzeugt das Teil gemäß den Spezifikationen und sorgt für Gewinn. Die Werkzeugauswahl ist eine technische Entscheidung und keine Frage der Bequemlichkeit.

Zwei Funktionskategorien: Schneidwerkzeuge und Werkstückspann- und Prozesswerkzeuge

Schneidwerkzeuge – Materialabtrag

Schneidwerkzeuge sind die Werkzeuge, die physisch Material vom Werkstück abtragen. Jede Oberfläche, die durch ein CNC-Maschine wurde durch eine Schneide erzeugt, die sich mit kontrollierter Geschwindigkeit und kontrolliertem Vorschub durch das Material bewegte. Zu dieser Kategorie gehören Schaftfräser, Bohrer, Reibahlen, Gewindebohrer und Gewindefräser, Planfräser, Drehplatten, Bohrstangen, Trennwerkzeuge und Formwerkzeuge.

Schneidwerkzeuge weisen gemeinsame technische Merkmale auf: Sie werden aus Werkstoffen hergestellt, die härter sind als das Werkstück, auf präzise Geometrien geschliffen, die die Spanbildung und die Schnittkräfte steuern, und häufig beschichtet, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen und die Reibung an der Schnittstelle zu verringern.

Werkzeuge für zerspanungsfreie Verfahren – Halterung und Messung

Zu den nichtschneidenden Werkzeugen zählt alles, was zum Bearbeitungsprozess beiträgt, ohne direkt Material abzutragen. Dazu gehören Werkzeughalter und Spannzangen (die Schneidwerkzeuge in der Spindel befestigen), Werkstückspannvorrichtungen und Schraubstöcke (die das Werkstück während der Zerspanung fixieren), Messtaster (die das Werkstück lokalisieren und Merkmale während des Bearbeitungsprozesses messen), Kühlmitteldüsen und -zuführsysteme (die die Wärmeableitung und den Spanabtransport steuern) sowie Werkzeugvoreinstellgeräte (die die Werkzeuglänge und den Werkzeugdurchmesser messen, bevor das Werkzeug in die Maschine eingeführt wird).

Nichtschneidende Werkzeuge sind hinsichtlich ihrer Bedeutung für die Werkstückqualität den Schneidwerkzeugen in nichts nachstehen. Ein Schneidwerkzeug, das in einer verschlissenen Spannzange montiert ist, die einen radialen Rundlauf von 10 µm zulässt, kann unabhängig von der eigentlichen Qualität des Werkzeugs keine Toleranzen von ±0,025 mm einhalten. Werkstückspannvorrichtungen, die unter Schnittkräften eine Durchbiegung des Werkstücks zulassen, verursachen Maßfehler, die zwar zufällig erscheinen, aber systematischer Natur sind. Die Qualität der Prozesswerkzeuge legt die Präzisionsgrenze fest, innerhalb derer Schneidwerkzeuge arbeiten.

Die 9 wichtigsten Arten von CNC-Schneidwerkzeugen: Technische Spezifikationen

1. Schaftfräser – das vielseitigste Schneidwerkzeug in der CNC-Bearbeitung

Schaftfräser sind rotierende Mehrschneidenfräser, die axial (Eintauchfräsen), radial (Seitenfräsen) und gleichzeitig in beiden Achsen (Rampenfräsen) fräsen können. Sie werden zum Fräsen ebener Flächen, zum Herstellen von Taschen und Nuten, zum Erzeugen von Profilen und Konturen sowie für Schlichtbearbeitungen eingesetzt.

Grundlagen der Geometrie:

Der Spiralwinkel der Schneidrillen eines Schaftfräsers hat einen erheblichen Einfluss auf die Zerspanungsleistung. Geringe Spiralwinkel (15–25°) kommen bei zähen Werkstoffen zum Einsatz, bei denen die axialen Schnittkräfte minimiert werden müssen. Hohe Spiralwinkel (40–45°) sorgen für glattere Schnitte bei Aluminium und weicheren Werkstoffen, bei denen der Spanabtransport im Vordergrund steht. Schneidfräser mit variabler Spiralgeometrie – bei denen sich der Spiralwinkel über die Länge hinweg ändert – reduzieren harmonische Schwingungen, die bei schwer zerspanbaren Werkstoffen zu Rattern führen.

Die Anzahl der Schneidkanten bestimmt das Gleichgewicht zwischen Spanabfuhr und Steifigkeit. Zweischneidige Schaftfräser maximieren die Spanabfuhr bei weichen Werkstoffen wie Aluminium, bei denen große Späne schnell abtransportiert werden müssen. Vierschneidige Schaftfräser bieten eine höhere Steifigkeit für Schlichtbearbeitungen in Stahl und Edelstahl. Sechsschneidige und mehrschneidige Schaftfräser sind speziell für Schlichtdurchgänge konzipiert, bei denen Steifigkeit und Oberflächengüte von entscheidender Bedeutung sind und das Spanvolumen gering ist.

Die Eckengeometrie bestimmt die Formmerkmale der Werkstücke, die mit dem Fräser hergestellt werden können: Rechtwinklige Schaftfräser erzeugen scharfe 90°-Ecken am Boden von Taschen; Kugelfräser erzeugen geschwungene Profile und 3D-Oberflächen; Eckenradiusfräser erzeugen einen kleinen Radius an der Ecke, der die Spannungskonzentration verringert, die Standzeit verlängert und für die meisten allgemeinen Fräsarbeiten geeignet ist, bei denen eine rechtwinklige Ecke funktional nicht erforderlich ist.

Arten von Schaftfräsern und technische Anwendungen:

Flach- (Quadrat-) Schaftfräser — zur Bearbeitung flacher Taschenböden und rechtwinkliger Schultern. Das Arbeitstier der Branche für die Bearbeitung prismatischer Werkstücke. Erhältlich in Ausführungen mit 2 Schneiden (Aluminium), 3 Schneiden (Allzweck), 4 Schneiden (Stahl, Edelstahl) sowie in Spezialausführungen für Verbundwerkstoffe und gehärtete Werkstoffe.

Kugelfräser — Der Spitzenradius entspricht der Hälfte des Werkzeugdurchmessers, wodurch ein halbkugelförmiges Schnittprofil entsteht. Sie werden für die 3D-Oberflächenbearbeitung, für Übergangsbearbeitungen und für alle Anwendungen eingesetzt, bei denen eine durchgehend gekrümmte Oberfläche erforderlich ist. Die Schnittgeschwindigkeit an der Spitze sinkt theoretisch auf null, wodurch sie beim reinen Materialabtrag weniger effizient sind als Flachfräser, für die Oberflächenkonturierung jedoch unverzichtbar sind.

Eckradius-Schaftfräser — an der Ecke des quadratischen Schaftendes einen kleinen Radius (typischerweise 0,5–3 mm) vorsehen. Der Radius verringert die Spannungskonzentration an der Ecke – dem Punkt mit der höchsten Belastung bei einem Vierkantfräser – und verlängert so die Standzeit um 30–100% im Vergleich zu ähnlichen Vierkantfräsern bei der Bearbeitung von Stahl und Edelstahl. Dies ist gängige Praxis in der CNC-Fertigung, sofern keine scharfe Innenecke funktional erforderlich ist.

Schruppfräser (Maiskolbenfräser) — Die gezahnte Schneidgeometrie zerkleinert den Span in kleinere Teile, wodurch die Schnittkräfte reduziert werden und aggressivere Schnitttiefen als bei vergleichbaren Schaftfräsern mit glatter Schneidgeometrie möglich sind. Wird für den schnellen Materialabtrag in der Schruppphase vor den Schlichtdurchgängen mit herkömmlichen Schaftfräsern eingesetzt.

Fräser mit langer Reichweite / Fräser mit verlängertem Hals — Der schmale Halsdurchmesser hinter dem Schneidbereich ermöglicht den Zugang zu tiefen Taschen und Strukturen mit großer axialer Höhe. Der schmale Hals neigt zu Durchbiegung; bei Werkzeugen mit großer Reichweite sind im Vergleich zu entsprechenden Werkzeugen in Standardlänge geringere Vorschubgeschwindigkeiten und Schnitttiefen erforderlich.

2. Bohrer – Grundlegende Werkzeuge zum Bohren von Löchern

CNC-Bohrer sind für den axialen Materialabtrag ausgelegt und erzeugen durch Rotation und Vorschub im Werkstück zylindrische Bohrungen. Der Standard-Spiralbohrer ist das gängigste Werkzeug zur Bohrung von Löchern, doch spezielle Bohrergeometrien sind für bestimmte Anwendungen konzipiert, die mit Allzweck-Spiralbohrern nicht effizient bewältigt werden können.

Wichtige Geometrieparameter:

Der Spitzenwinkel bestimmt, wie der Bohrer in das Material eindringt. Der Standard-Spitzenwinkel von 118° ist eine Allzweckgeometrie, die für die meisten Stähle und Aluminium geeignet ist. Bei härteren Werkstoffen empfiehlt sich ein flacherer Spitzenwinkel von 135°, der die axiale Schubkraft verringert und das „Wandern“ des Bohrers auf harten Oberflächen verhindert. Kurzbohrer mit kurzer Spiralänge sind steifer und erzeugen präzisere Bohrlöcher als Bohrer mit Standardlänge, allerdings auf Kosten der Bohrtiefe.

Der Spiralwinkel der Bohrspitze beeinflusst den Spanabtransport. Bohrer mit großem Spiralwinkel (40–45°) ziehen die Späne kraftvoll aus der Bohrung heraus, was für das Tieflochbohren und zähflüssige Werkstoffe wie Aluminium und Edelstahl, die lange, fadenförmige Späne erzeugen, unerlässlich ist. Bohrer mit kleinem Spiralwinkel erzeugen kürzere Späne, die sich in tiefen Bohrungen in härteren Werkstoffen leichter abtransportieren lassen.

Bohrersorten:

Spiralbohrer — Spiralbohrer für allgemeine Bohrarbeiten. Erhältlich in den Ausführungen Standardlänge (am häufigsten), Kurzausführung (höhere Steifigkeit, geringere Reichweite) und Langausführung (tiefere Bohrungen). Die Wahl des Materials und der Beschichtung richtet sich nach dem Werkstückmaterial.

Bohrer mit Hartmetallspitze / Vollhartmetallbohrer — Bohrer mit austauschbaren Hartmetallspitzen oder Vollhartmetallbohrer schneiden bei der Serienbearbeitung von Stahl, Edelstahl und Gusseisen deutlich besser ab als HSS-Bohrer. Höhere Schnittgeschwindigkeiten, eine längere Standzeit und eine bessere Bohrlochqualität rechtfertigen die höheren Werkzeugkosten bei großen Stückzahlen.

Mittelübungen — kurze, steife Werkzeuge, die ein konisches Vorbohrloch erzeugen, um nachfolgende größere Bohrer präzise zu positionieren. Unverzichtbar, wann immer es auf die Positionsgenauigkeit eines Lochmusters ankommt, da Standard-Spiralbohrer auf einer ebenen Oberfläche ohne Zentrierloch oder Vorbohrer aus der Spur geraten.

Schrittübungen — Erzeugt zwei oder mehr Durchmesser in einem Arbeitsgang. Standard bei Anwendungen mit Blech und Dünnblech, bei denen das Senken oder Aufweiten auf mehrere Durchmesser erforderlich ist.

Bohrer mit Wendeplatten — Bohren mit großem Durchmesser (20 mm+) unter Verwendung von austauschbaren Hartmetalleinsätzen. Hohe Produktivität bei großen Stückzahlen; die Kosten für den Austausch der Einsätze sind geringer als die für das Nachschleifen von Vollhartmetallbohrern.

3. Reibahlen – Präzisionsbearbeitung von Bohrungen

Reibahlen sind ausschließlich für die Endbearbeitung von Bohrungen vorgesehen, nicht für deren Anbohrung. Sie entfernen eine geringe Materialmenge (in der Regel 0,1–0,5 mm am Durchmesser, je nach Reibahlentyp) aus einer zuvor gebohrten oder aufgebohrten Bohrung, um eine bestimmte Durchmessertoleranz und Oberflächengüte zu erreichen.

Der funktionale Unterschied zum Bohren ist wichtig: Ein Bohrer erzeugt ein Loch, eine Reibahle bearbeitet ein Loch nach. Der Versuch, eine Reibahle als Bohrer zu verwenden – also sie in festes Material einzuführen –, führt zu einer sofortigen Beschädigung des Werkzeugs.

Wenn Reibahlen vorgeschrieben sind:

Reibahlen sind das geeignete Werkzeug, wenn die fertige Bohrung die Toleranzklasse H7 oder eine engere Toleranzklasse (±0,012 mm oder besser bei einer Bohrung von 20 mm) erfüllen muss, wenn die Oberflächengüte im Inneren der Bohrung für Lager-, Stifte oder Dichtungen und wenn die Positionsgenauigkeit durch den vorangegangenen Bohr- oder Ausbohrvorgang bereits festgelegt wurde.

Arten von Reibahlen:

Maschinenreibahlen (gerade Nut) — Die Standard-Serienreibahle wird mit etwa einem Drittel bis zur Hälfte der Drehzahl eines vergleichbaren Bohrers betrieben. Gerade Nuten eignen sich für Durchgangslöcher; die Späne werden nach vorne durch das Loch abgeführt.

Spiralnut-Reibahlen — Die spiralförmige Spiralgeometrie befördert die Späne aus der Bohrung heraus und macht diese Bohrer somit zur richtigen Wahl für Sacklöcher, bei denen ein Späneauswurf nach vorne nicht möglich ist. Die Spiralrichtung (links- oder rechtsdrehend) bestimmt die Spänrichtung relativ zum Schnitt.

Verstellbare Reibahlen — Der Schnittdurchmesser ist innerhalb eines bestimmten Bereichs einstellbar, was für individuelle oder nicht standardmäßige Lochgrößen von Vorteil ist, ohne dass eine feste Reibahle mit einem bestimmten Durchmesser angeschafft werden muss. Der Einstellbereich ist begrenzt und erfordert eine sorgfältige Einstellung, um die Rundheit zu gewährleisten.

Hartmetall-Reibahlen — Bei der Serienfertigung von Stahl und Edelstahl werden Hartmetall-Reibahlen mit höheren Drehzahlen eingesetzt und erreichen eine deutlich längere Standzeit als HSS-Reibahlen. Die höheren Anschaffungskosten machen sich durch die geringere Häufigkeit von Werkzeugwechseln in der Serienfertigung bezahlt.

4. Gewindebohrer und Gewindefräser – Herstellung von Innengewinden

Innengewinde in CNC-gefrästen Teilen werden mit einem von zwei Werkzeugtypen hergestellt: Gewindebohrern oder Gewindefräsern. Beide weisen jeweils eigene Vorteile auf und eignen sich für bestimmte Anwendungsbereiche.

Gewindebohrer – Gewindeschneiden in einem Durchgang:

Ein Gewindebohrer ist ein gehärtetes Werkzeug mit einer gewindeförmigen Geometrie, das alle Gewindeflanken gleichzeitig in einem einzigen axialen Durchgang durch die Bohrung schneidet. Gewindebohrer sind schnell, einfach in der Handhabung und erzeugen bei allen Standardgewindegrößen gleichmäßige Gewinde.

Spiralbohrer (Gun-Bohrer) — Schieben Sie die Späne im Verlauf des Schneidvorgangs durch die Bohrung nach vorne. Geeignet für Durchgangsbohrungen in den meisten Werkstoffen. Die gängigste Gewindebohrergeometrie in der Serienfertigung.

Gewindebohrer mit Spiralnut — Die Flötengeometrie zieht die Späne beim Vorschub des Gewindebohrers aus dem Loch heraus. Dies ist besonders bei Sacklöchern wichtig, bei denen die Späne nicht nach vorne abtransportiert werden können. Beim Gewindeschneiden in Sacklöchern mit einem Spiralbohrer werden die Späne am Boden des Lochs gestaut, was schließlich zum Bruch des Gewindebohrers führt.

Formgewindebohrer (Kaltformgewindebohrer) — erzeugen Gewinde ohne zu schneiden, sondern durch Verdrängung des Materials, wodurch die Gewindeflanken entstehen. Es entstehen keine Späne. Formgewindebohrer erzeugen festere Gewinde (kaltverformtes Material) und verhindern spanbedingte Gewindebohrerbrüche in Sacklöchern. Beschränkt auf Werkstoffe, die duktil genug für die Kaltumformung sind: Aluminium, Weichstahl und Messing. Nicht geeignet für Gusseisen, Hartstähle oder spröde Werkstoffe.

Gewindefräsen – Orbitalgewindefräsen:

Eine Gewindefräse ist ein mehrzahniger Fräser, der Gewinde erzeugt, indem er sich auf einer programmierten spiralförmigen Bahn um den Lochumfang bewegt. Zu den Vorteilen gegenüber dem Gewindeschneiden gehören: Ein einziges Werkzeug kann jede Gewindesteigung innerhalb seines Größenbereichs erzeugen (was den Lagerbestand reduziert), es besteht kein Risiko eines katastrophalen Gewindebohrerbruchs bei harten oder schwierigen Werkstoffen, und es können sowohl Innen- als auch Außengewinde mit demselben Werkzeug hergestellt werden. Das Gewindefräsen ist langsamer als das Gewindeschneiden, ist jedoch die bevorzugte Methode für harte Werkstoffe (über 45 HRC), große Gewindedurchmesser, bei denen die Gewindeschneidkräfte zu hoch wären, sowie für Anwendungen, bei denen ein abgebrochener Gewindebohrer, der in einem hochwertigen Bauteil stecken bleibt, erhebliche Verluste verursachen würde.

5. Planfräser – Hochproduktive Bearbeitung ebener Flächen

Planfräser sind Fräser mit großem Durchmesser und mehreren Wendeschneidplatten, die für die Bearbeitung ebener Flächen mit hohen Zerspanungsleistungen ausgelegt sind. Im Gegensatz zu Schaftfräsern, bei denen es sich um einteilige Werkzeuge handelt, verwenden Planfräser Wendeschneidplatten aus Hartmetall, die bei Verschleiß einzeln gedreht oder ausgetauscht werden können.

Der operative Vorteil des Planfräsens liegt in der Schnittbreite: Ein 100-mm-Planfräser bearbeitet pro Durchgang eine Breite von 100 mm, während ein 25-mm-Schaftfräser nur 25 mm abdeckt. Bei großen ebenen Flächen – wie beispielsweise Konstruktionsrahmen, der Vorbereitung von Blechen oder den Böden von Formkammern – ist das Planfräsen wesentlich schneller als das Schaftfräsen derselben Fläche.

Einsatzgeometrie und Spanbildung:

Der Spanwinkel der Einsätze bei Planfräsern bestimmt die Spanbildung und das Profil der axialen Schnittkräfte. Ein Spanwinkel von 90° (Planfräser mit rechtwinkliger Schulter) erzeugt Späne gleichmäßiger Dicke und führt zu höheren axialen Kräften. Ein Planfräser mit einem Spanwinkel von 45° erzeugt bei gleichem Vorschub pro Zahn dünnere Späne, wodurch die Schnittkräfte reduziert werden und höhere Vorschubgeschwindigkeiten bei weniger steifen Aufspannungen möglich sind.

Der Eintauchradius beeinflusst die Oberflächengüte: Ein größerer Eintauchradius sorgt bei gleichen Vorschubgeschwindigkeiten für eine glattere Oberflächengüte, ist jedoch bei unterbrochenen Schnitten anfälliger für Vibrationen. Feinverzahnte Hochvorschub-Planfräser nutzen eine aggressive positive Geometrie, um die Schnittkräfte bei sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten zu minimieren und so trotz geringer Schnitttiefen einen hohen Materialabtrag zu erzielen.

6. Drehwerkzeuge und Drehmeißel – Bearbeitung rotierender Teile

Drehwerkzeuge kommen in CNC-Drehmaschinen und Dreh-Fräs-Bearbeitungszentren zum Einsatz, bei denen sich das Werkstück dreht und das Schneidwerkzeug entlang gesteuerter Achsen bewegt. Durch das Drehen werden zylindrische Außenflächen, Bohrungen, Gewinde, Nuten und profilierte Konturen an rotierenden Bauteilen hergestellt.

Geometrie einfügen:

Dreheinsätze sind wendbar – wenn eine Schneide stumpf wird, wird der Einsatz gedreht, um eine neue Schneide freizulegen, und schließlich vollständig ausgetauscht, wenn alle Schneiden aufgebraucht sind. Standard-Wendeschneidplattenformen (dreieckig, quadratisch, rautenförmig, rund, trigonal) werden durch ISO-Normcodes bezeichnet, die Form, Freiwinkel, Toleranz, Spanbrecher, Größe und Dicke festlegen.

Die Geometrie der Spanbrecher an einem Dreh-Wendeschneidplatten ist entscheidend für die Spanführung. Lange, fadenförmige Späne beim Drehen führen zu Schäden am Werkstück, Werkzeugbruch und Sicherheitsrisiken für den Bediener. Spanbrecher an modernen Wendeschneidplatten nutzen sorgfältig konstruierte Oberflächenmerkmale, um Späne bei bestimmten Kombinationen aus Vorschub und Schnitttiefe zu kräuseln und in handhabbare Längen zu brechen.

Auswahl des Werkzeugspitzenradius:

Ein größerer Spitzenradius sorgt bei gleichen Vorschubgeschwindigkeiten für eine bessere Oberflächengüte, erhöht jedoch die radialen Schnittkräfte und führt bei flexiblen Aufspannungen oder dünnwandigen Werkstücken eher zu Vibrationen. Ein kleinerer Spitzenradius führt bei gleichen Vorschubgeschwindigkeiten zu einer höheren Oberflächenrauheit, übt jedoch weniger radiale Kräfte aus. In der Praxis wird üblicherweise der größte Spitzenradius gewählt, den die Steifigkeit des Werkstücks zulässt.

7. Ausdrehstangen – Präzisionsbearbeitung von Innendurchmessern

Ausdrehstangen werden in den Innendurchmesser einer vorhandenen Bohrung eingeführt und entfernen Material von der Bohrungswand, um einen präzisen Durchmesser, eine präzise Geradheit und eine präzise Oberflächengüte zu erzielen. Sie kommen dort zum Einsatz, wo durch Bohren oder Reiben die erforderliche Genauigkeit nicht erreicht werden kann (in der Regel aufgrund der Durchmessergröße, des Verhältnisses von Länge zu Durchmesser oder der Toleranzanforderungen) und wo die Bohrung bereits durch Gießen, Schmieden oder vorheriges Bohren vorhanden ist.

Die Herausforderung des L/D-Verhältnisses:

Die größte technische Herausforderung bei Bohrstangen ist das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D) der Stange. Eine Bohrstange ist im Wesentlichen ein freitragender Balken: Der Schneideinsatz befindet sich an einem Ende und der Werkzeughalter am anderen. Mit steigendem L/D-Verhältnis nehmen die statische Durchbiegung unter den Schnittkräften und die Neigung zu dynamischen Schwingungen (Ruckeln) rapide zu.

Standard-Bohrstangen aus Vollhartmetall sind ohne besondere Maßnahmen bis zu einem L/D-Verhältnis von etwa 4:1 einsetzbar. Darüber hinaus ermöglichen vibrationsdämpfende Bohrstangen – die im Stangenkörper einen abgestimmten Massendämpfer enthalten, der Schwingungsenergie absorbiert – je nach spezifischer Werkzeugauslegung L/D-Verhältnisse von 8:1 bis 14:1. Diese vibrationsdämpfenden Bohrstangen sind für die Tiefbohrbearbeitung in Motorblöcken, Hydraulikverteilern und ähnlichen Bauteilen unverzichtbar.

8. Trennwerkzeuge – Trennen von Werkstücken

Trennwerkzeuge (auch als Abschnittwerkzeuge bezeichnet) sind dünne, schmale Klingen, die in CNC-Drehmaschinen zum Abtrennen eines fertigen Teils vom verbleibenden Stangenmaterial verwendet werden. Sie werden radial in das rotierende Werkstück eingeführt, bis das Teil abgetrennt ist.

Die schmale Schneidbreite minimiert den Materialverlust bei jedem Schnitt, stellt jedoch technische Herausforderungen dar: Die dünne Schneide muss der Biegung unter der radialen Schnittkraft standhalten, der Spanabtransport in der schmalen Nut ist schwierig, und Spanstau führt zu Werkzeugbruch. Moderne Trennwerkzeuge mit Wendeschneidplatten bewältigen diese Herausforderungen durch Spanbrecher-Wendeschneidplatten, eine Kühlmittelzufuhr durch das Werkzeug sowie für das jeweilige Werkstückmaterial optimierte Schneidplattenwerkstoffe.

Das Abstechen ist einer der anspruchsvollsten Arbeitsgänge an einer CNC-Drehmaschine, da dabei hohe Radialkräfte auf ein schmales Werkzeug einwirken und die Spanabfuhr erschwert ist. Eine zu langsame Drehzahl, ein zu schneller Vorschub oder eine unzureichende Kühlmittelzufuhr sind die Hauptursachen für den Ausfall des Abstechwerkzeugs.

9. Rändelwerkzeuge – Oberflächenstrukturierung

Rändelwerkzeuge drücken gehärtete Rollen gegen ein rotierendes zylindrisches Werkstück, um die Oberfläche plastisch zu verformen und ihr ein regelmäßiges Strukturmuster zu verleihen. Bei diesem Vorgang wird kein Material abgetragen – es wird lediglich verformt, wodurch sich Erhebungen auf der Oberfläche bilden. Das Rändeln erfüllt zwei funktionale Zwecke: Es verbessert die Griffigkeit von handbetätigten Bauteilen (Rändelschrauben, Einstellknöpfe, Stiftgehäuse) und vergrößert den Außendurchmesser einer Welle geringfügig, um eine Presspassung zu ermöglichen.

Am häufigsten kommen Rautenmuster (Kreuzschraffur) und geradlinige Muster vor. Der Musterabstand wird durch die Spezifikationen der Rändelscheibe bestimmt und muss ein exaktes Vielfaches des Werkstückumfangs betragen, damit ein regelmäßiges Muster ohne Nahtartefakte an der Musterwiederholungsstelle entsteht.

Werkzeugsubstratwerkstoffe: Anpassung der Härte an die jeweilige Anwendung

Das Substratmaterial bestimmt die grundlegende Härte, Zähigkeit und Wärmebeständigkeit des Werkzeugs. Auf das Substrat wird eine Beschichtung aufgebracht – diese verändert zwar die Oberflächeneigenschaften, kann jedoch eine falsche Substratwahl nicht ausgleichen.

Auswahlkriterien:

HSS-Werkzeuge sind die wirtschaftliche Wahl für Arbeiten mit geringen Stückzahlen, unterbrochene Schnitte, bei denen die Sprödigkeit von Hartmetall zu Ausbrüchen führen würde, sowie für Bearbeitungen mit niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, bei denen der thermische Vorteil von Hartmetall nicht zum Tragen kommt. Die geringeren Werkzeugkosten rechtfertigen den Einsatz von HSS in geeigneten Anwendungsfällen.

Wolframkarbid ist der Produktionsstandard für die meisten CNC-Bearbeitungen. Seine Härte ermöglicht 3- bis 5-mal höhere Schnittgeschwindigkeiten als bei HSS, und seine Verschleißfestigkeit verlängert die Standzeit der Werkzeuge erheblich. Hartmetallwerkzeuge sind in verschiedenen Sorten erhältlich, bei denen Härte und Zähigkeit gegeneinander abgewogen werden – feinkörnige, härtere Sorten für Schlichtbearbeitungen in harten Werkstoffen; gröbere, zähere Sorten für unterbrochene Schnitte und die Vorbearbeitung.

CBN und PCD sind Spezialsubstrate für bestimmte Hochleistungsanwendungen. CBN ist das einzige praktikable Material für die Trockenbearbeitung von gehärtetem Stahl mit einer Härte von über 45 HRC – Keramikwerkzeuge brechen bei unterbrochenen Schnitten in gehärtetem Stahl, und Hartmetall verschleißt zu schnell. PCD ist der Standard für die Bearbeitung von siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen (Automobil-Motorblöcke, Kolben), bei denen der Siliziumgehalt Hartmetallwerkzeuge schnell zerstört, sowie für Kohlefaserverbundwerkstoffe, bei denen die abrasive Faser herkömmliche Werkzeuge zerstört.

Werkzeugbeschichtungen: Was die einzelnen Beschichtungen bewirken und wann sie zum Einsatz kommen

Beschichtungen werden mittels PVD- (Physical Vapor Deposition) oder CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition) als 2–10 µm dicke Schichten auf die Werkzeugoberfläche aufgebracht. Sie verändern die Werkzeuggeometrie nicht wesentlich, beeinflussen jedoch die Oberflächenhärte, den Reibungskoeffizienten, die Oxidationsbeständigkeit und die thermischen Barriereeigenschaften.

TiN (Titannitrid) – Die Standardbeschichtung

Die goldfarbene TiN-Beschichtung war die erste kommerziell erfolgreiche PVD-Werkzeugbeschichtung und ist nach wie vor weit verbreitet. Sie erhöht die Oberflächenhärte auf etwa 2.300 HV (gegenüber 1.600 HV bei unbeschichtetem Hartmetall) und senkt den Reibungskoeffizienten gegenüber Stahl von etwa 0,6 (unbeschichtet) auf 0,4.

TiN eignet sich für die allgemeine Zerspanung von Weichstählen, Aluminiumlegierungen und technischen Kunststoffen bei moderaten Schnittgeschwindigkeiten. Ab etwa 600 °C beginnt es zu oxidieren, was seinen Nutzen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden einschränkt, bei dem die Werkzeugtemperaturen diesen Schwellenwert überschreiten. Für das Hochgeschwindigkeitsschneiden von Edelstahl, Titan oder gehärtetem Stahl reicht TiN nicht aus – hier sind Beschichtungen für höhere Temperaturen erforderlich.

TiAlN (Titan-Aluminium-Nitrid) – Hohe Leistungsfähigkeit bei hohen Temperaturen

TiAlN bildet bei erhöhten Temperaturen eine schützende Al₂O₃-Oxidschicht, die als Wärmebarriere wirkt und so eine effektive Zerspanung bei Temperaturen ermöglicht, bei denen eine TiN-Beschichtung versagt. Betriebstemperaturen von bis zu etwa 900 °C sind praktikabel. TiAlN ist die vorherrschende Beschichtung für die Trocken- oder Nahe-Trocken-Bearbeitung von Edelstahl, Titan und Nickellegierungen bei produktionsüblichen Schnittgeschwindigkeiten.

Der prozentuale Aluminiumgehalt in TiAlN-Beschichtungen hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit: Ein höherer Aluminiumgehalt (AlTiN-Variante mit einem Al-Gehalt von > 50 Atomprozent) sorgt für eine bessere Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere bei unterbrochenen Zerspanungsvorgängen und gehärteten Werkstoffen. Standard-TiAlN (50:50 Ti:Al) eignet sich besser für Anwendungen mit kontinuierlicher Zerspanung.

AlTiN (Aluminium-Titan-Nitrid) – gehärteter Stahl und unterbrochene Schnitte

AlTiN-Beschichtungen enthalten Aluminium als Hauptelement und sind somit optimal für die höchsten Schnitttemperaturen ausgelegt, die bei der Trockenbearbeitung von gehärtetem Stahl und Nickel-Superlegierungen auftreten. Die Härte der Beschichtung liegt bei über 3.000 HV und bleibt bis zu einer Temperatur von etwa 1.000 °C wirksam.

AlTiN ist die geeignete Beschichtung für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl (35–55 HRC), Inconel, Hastelloy und anderen Hochtemperaturlegierungen bei aggressiven Schnittparametern. Für Anwendungen bei niedrigeren Temperaturen in Aluminium oder Weichstahl ist sie weniger geeignet als TiAlN, da ihr im Vergleich zu DLC oder ZrN höherer Reibungskoeffizient sie hier weniger optimal macht.

DLC (Diamond-Like Carbon) – Geringe Reibung bei Nichteisenwerkstoffen

DLC-Beschichtungen weisen einen außergewöhnlich niedrigen Reibungskoeffizienten (0,1–0,15 gegenüber Stahl, im Vergleich zu 0,4 bei TiN) und eine sehr hohe Oberflächenhärte (typischerweise 2.500–4.000 HV) auf. Der niedrige Reibungskoeffizient macht DLC ideal für die Bearbeitung von Werkstoffen, bei denen es leicht zu Aufschleiß (BUE) kommt – dabei schmilzt Werkstückmaterial an der Werkzeugkante fest, wodurch die Oberflächengüte beeinträchtigt und der Werkzeugverschleiß beschleunigt wird.

Aluminiumlegierungen, insbesondere Legierungen mit hohem Siliziumgehalt, die in der Automobilindustrie zum Einsatz kommen, sind der Hauptanwendungsbereich für DLC. Auch Kupfer, Messing, Kunststoffe und Verbundwerkstoffe profitieren von der geringen Reibung der DLC-Beschichtung. DLC sollte nicht auf Eisenwerkstoffen bei Temperaturen über einem moderaten Niveau verwendet werden, da der Kohlenstoff in der Beschichtung bei erhöhten Temperaturen in Eisen löslich ist, was zu einer raschen Auflösung der Beschichtung führt.

ZrN (Zirkoniumnitrid) – Bearbeitung von Aluminium und Nichteisenmetallen

ZrN ist eine gold-silberfarbene Beschichtung mit einem geringeren Reibungskoeffizienten als TiN und einer guten chemischen Beständigkeit gegenüber der Anhaftung von Aluminium. Sie wird in Anwendungen eingesetzt, bei denen die Reaktivität des Kohlenstoffs in DLC-Beschichtungen mit bestimmten Materialien ein Problem darstellt oder bei denen die geringeren Kosten von ZrN im Vergleich zu DLC ist ein Faktor. Bei der Bearbeitung von Nichteisenwerkstoffen liegt die Leistung im Allgemeinen zwischen TiN und DLC.

Entscheidungsrahmen für die Werkzeugauswahl

Bei der Auswahl eines Schneidwerkzeugs für einen bestimmten CNC-Bearbeitungsvorgang sollten Sie die folgenden vier Variablen der Reihe nach durchgehen:

Schritt 1 – Art der Operation ermitteln: Was soll das Werkzeug leisten? Eine ebene Fläche erzeugen (Planfräser), ein Loch bohren (Bohrer), ein Loch nachbearbeiten (Reibahle), ein Gewinde schneiden (Gewindebohrer oder Gewindefräser), eine Tasche fräsen (Schaftfräser), einen Außendurchmesser drehen (Dreheinsatz), einen Innendurchmesser bohren (Bohrstange)? Die Bearbeitungsart bestimmt die Werkzeugkategorie.

Schritt 2 – Bestimmen Sie das Werkstückmaterial: Das Material bestimmt die Anforderungen an den Wendeplattenkörper und die Beschichtung. Aluminium und Nichteisenmetalle: Hartmetallkörper mit DLC- oder ZrN-Beschichtung, hoher Spiralwinkel für Aluminium, polierte Schneidrillen. Weichstahl und allgemeine Stahlsorten: Hartmetallkörper mit TiAlN-Beschichtung, 4-schneidige Schaftfräser für die Schlichtbearbeitung. Edelstahl: Hartmetallträger mit TiAlN-Beschichtung, reduzierte Schnittgeschwindigkeiten, Hochdruckkühlmittel. Gehärteter Stahl (>45 HRC): CBN-Werkzeuge zum Drehen, Hartmetall mit AlTiN-Beschichtung zum Fräsen. Titan: Hartmetallträger mit TiAlN-Beschichtung, niedrige Schnittgeschwindigkeiten, aggressives Flutkühlmittel.

Schritt 3 – Festlegen der geometrischen Anforderungen: Welche Merkmale müssen hergestellt werden? Enge Innenradien erfordern Werkzeuge mit kleinem Durchmesser. Tiefe Taschen erfordern Werkzeuge mit großer Reichweite. Gewinde in Sacklöchern erfordern Gewindebohrer mit spiralförmiger Schneide. Präzisionsbohrungen erfordern nach dem Bohren Reibahlen. Stellen Sie fest, ob die Geometrie ein Spezialwerkzeug erfordert.

Schritt 4 – Wählen Sie das für die jeweilige Kombination geeignete Substrat und die passende Beschichtung aus: Wählen Sie unter Berücksichtigung des Werkstoffs und der Bearbeitungsbedingungen aus den Schritten 1–3 eine der oben aufgeführten Optionen für Substrat und Beschichtung aus. Legen Sie den Schwerpunkt auf die erforderliche Schnittgeschwindigkeit – für die Hochgeschwindigkeitsfertigung sind Hartmetallwerkzeuge mit einer geeigneten Hochtemperaturbeschichtung erforderlich; für die Prototypenfertigung bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten können HSS-Werkzeuge mit geringeren Werkzeugkosten geeignet sein.

Abnutzung von Messwerkzeugen: Diagnose von Problemen anhand von Ausfallarten

Die Art und Weise, wie ein Werkzeug versagt, gibt Aufschluss darüber, was schiefgelaufen ist:

Flankenverschleiß (Gleichmäßiger Verschleiß an der Abtragfläche) — normaler, fortschreitender Verschleiß durch Abrieb. Das Werkzeug hat das Ende seiner Lebensdauer erreicht. Verlängern Sie das Wechselintervall, um zu verhindern, dass der Verschleiß die Oberflächengüte und die Maße beeinträchtigt.

Kraterverschleiß (Vertiefung an der Rechenfläche) — Chemische Auflösung des Werkzeugmaterials durch heiße Späne. Tritt häufig bei der Stahlbearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten auf. Dies deutet darauf hin, dass die Schnittgeschwindigkeit zu hoch ist oder die Beschichtung für die auftretende Temperatur nicht ausreicht. Verringern Sie die Schnittgeschwindigkeit oder wechseln Sie zu einer Beschichtung, die für höhere Temperaturen geeignet ist.

Aufgebaute Kante (BUE) — An der Schneide festgeschweißtes Werkstückmaterial. Tritt häufig bei Aluminium und kohlenstoffarmem Stahl bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten auf. Die Oberflächengüte verschlechtert sich schlagartig. Erhöhen Sie die Schnittgeschwindigkeit, verwenden Sie DLC-beschichtete oder polierte Schneidwerkzeuge und setzen Sie Schneidflüssigkeit ein.

Ausbrüche (Einkerbungen an der Schnitttiefenlinie) — Mikrobruch an der Schneidkante. Eine häufige Ursache sind unterbrochene Schnitte, bei denen das Werkzeug wiederholt in das Material ein- und austaucht (Fräsen von Nuten in harten Werkstoffen). Dies deutet darauf hin, dass das Werkstück für unterbrochene Schnitte zu spröde ist. Wechseln Sie zu einer zäheren Hartmetallsorte oder verringern Sie die Schnitttiefe.

Katastrophale Fraktur — Plötzlicher Werkzeugbruch, typischerweise am Schaft oder in der Nähe der Spanraumwurzel. Ursachen: übermäßige Schnittkräfte aufgrund zu aggressiver Parameter, Rattern, das die Festigkeit des Werkzeugs übersteigt, Spanstau (insbesondere beim Stirnfräsen von Aluminium mit unzureichendem Spanraum) oder ein bereits vorhandener Werkzeugfehler. Überprüfen Sie die Schnittparameter, die Steifigkeit der Aufspannung und den Spanabtransport.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der Unterschied zwischen einem Schaftfräser und einem Bohrer? Ein Bohrer ist für den axialen Schnitt ausgelegt – er dringt entlang seiner Achse in das Werkstück ein, um ein Loch zu erzeugen. Ein Schaftfräser kann zwar axial (tauchend) schneiden, ist jedoch in erster Linie für den Radialschnitt ausgelegt, bei dem er sich senkrecht zu seiner Achse bewegt, um Nuten, Taschen und Profile zu bearbeiten. Schaftfräser können in der Regel nicht als Bohrer mit vollem Durchmesser in einem einzigen Einstich verwendet werden; sie werden schräg in das Material eingeführt oder erst eingesetzt, nachdem ein Vorbohrer die Mitte markiert hat.

Wann sollte ich Hartmetallwerkzeuge anstelle von HSS-Werkzeugen verwenden? Hartmetallwerkzeuge kommen zum Einsatz, wenn die Anforderungen an Schnittgeschwindigkeit, Standzeit oder Oberflächengüte über das hinausgehen, was HSS leisten kann. Bei der Serienbearbeitung von Stahl, Edelstahl, Aluminium und den meisten technischen Metallen auf CNC-Maschinen ist Hartmetall der Standard. HSS behält seinen Vorteil bei manuellen Bearbeitungsvorgängen, bei stark unterbrochenen Schnitten, bei denen die Sprödigkeit von Hartmetall zu Ausbrüchen führt, sowie bei Kleinserien, bei denen sich der Preisaufschlag für Hartmetall aufgrund der geringen Stückzahl nicht rechtfertigt.

Welche Beschichtung eignet sich am besten für die Bearbeitung von Aluminium? DLC (Diamond-Like Carbon) ist die erste Wahl bei Beschichtungen für die Aluminiumbearbeitung, da sein niedriger Reibungskoeffizient (0,1–0,15) verhindert, dass sich Aluminium an der Werkzeugschneide festschweißt (Aufschweißkante). ZrN ist die kostengünstigere Alternative. Herkömmliche TiN- oder TiAlN-Beschichtungen weisen eine höhere Reibung gegenüber Aluminium auf und verursachen mehr Haftungsprobleme an der Schneidkante.

Woran erkenne ich, wann ein Schneidwerkzeug ausgetauscht werden muss? Geplante Werkzeugwechselintervalle auf Basis der Bearbeitungszeit oder der Stückzahl sind der zuverlässigste Ansatz in der Produktion. Zu den frühen Anzeichen für Werkzeugverschleiß zählen: erhöhte Schnittgeräusche (höher oder ungleichmäßig), sichtbare Veränderungen der Oberflächengüte oder Farbe, Maßabweichungen bei gemessenen Merkmalen sowie ein Anstieg der Spindelbelastung, der auf der Maschinensteuerung angezeigt wird. Der Weiterbetrieb von Werkzeugen bis zum Totalausfall beschädigt Werkstücke und erhöht die Kosten; der planmäßige Austausch zu einem Zeitpunkt, der noch weit vor dem Ende der Werkzeuglebensdauer liegt, ist der Produktionsstandard.

Was ist der Unterschied zwischen einem Gewindebohrer und einer Gewindefräse? Ein Gewindebohrer schneidet alle Gewindeflanken gleichzeitig in einem einzigen axialen Durchgang und erzeugt so schnell und einfach Gewinde. Ein Gewindefräser bewegt sich auf einer spiralförmigen Umlaufbahn, um Gewinde in einzelnen Durchgängen zu erzeugen, wodurch ein einziges Werkzeug mehrere Gewindegrößen und -steigungen herstellen kann. Das Gewindefräsen ist zwar langsamer, bietet jedoch mehr Kontrolle, eignet sich für harte Werkstoffe, bei denen das Risiko eines Gewindebohrerbruchs hoch ist, und ist der Standard für Gewinde mit großem Durchmesser, bei denen die Kräfte beim Gewindeschneiden zu hoch wären.

Warum weisen manche CNC-Werkzeuge variable Spiralwinkel auf? Fräser mit variabler Spiralgeometrie ändern den Spiralwinkel stufenlos entlang der Schnittlänge. Diese Variation verändert die Frequenz, mit der jede Schneide in das Werkstück eingreift, und unterbricht so die harmonische Resonanz, die unter schwierigen Bearbeitungsbedingungen zu Rattern führt. Standardwerkzeuge mit konstanter Spiralgeometrie erzeugen eine gleichmäßige Eingriffsfrequenz, die mit der Eigenfrequenz des Maschinen-Werkstück-Systems in Resonanz treten kann. Werkzeuge mit variabler Spiralgeometrie unterbrechen dieses Resonanzmuster und ermöglichen so tiefere Schnitte und höhere Vorschubgeschwindigkeiten, ohne dass die durch Rattern verursachten Probleme bei der Oberflächenqualität auftreten.