Fräsen von Edelstahl (ISO M): Kaltverfestigung, Parameter und Werkzeugauswahl

Nichtrostende Stähle bilden in der Klassifizierung nach ISO 513 die Gruppe M und zeigen in der Zerspanung ein anderes Verhalten als Kohlenstoffstähle. Dieser Ratgeber behandelt das Fräsverhalten der wichtigsten Edelstahlfamilien, die Frage, warum die Kaltverfestigung die Parameterwahl bestimmt, und anwendungsbezogen nutzbare Parameterbereiche. Die allgemeine Werkstoffklassifizierung ist im Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen gesondert dargestellt.

1. Unterschiedliche Verhaltensweisen innerhalb von ISO M

„Edelstahl“ ist kein einheitlicher Werkstoff. Unter derselben Überschrift ISO M finden sich deutlich voneinander abweichende Gefüge, von denen jedes eine eigene Schwierigkeit erzeugt.

Der Unterschied zwischen den Gruppen wirkt sich unmittelbar auf die Parameterwahl aus. Ferritische und geglühte martensitische Sorten verhalten sich nahe an ISO P, während austenitische und Duplex-Sorten deutlich niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und einen steiferen Aufbau verlangen. Da in der Werkstatt am häufigsten 304 und 316 vorkommen, liegt der Schwerpunkt dieses Ratgebers auf dem austenitischen Verhalten.

2. Drei physikalische Ursachen der Schwierigkeit

Geringe Wärmeleitfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit von 304 liegt bei Raumtemperatur bei etwa 16 W/(m·K); bei Kohlenstoffstahl liegt dieser Wert im Bereich 45–60 W/(m·K). Edelstahl leitet also etwa ein Drittel der Wärmemenge von Kohlenstoffstahl. Die Folge ist unmittelbar: Der größte Teil der in der Schnittzone erzeugten Wärme kann nicht über den Span abgeführt werden und sammelt sich an der Schneidkante. Mit steigender Schneidkantentemperatur beschleunigen sich Diffusions- und plastischer Verformungsverschleiß. Die Verschleißmechanismen sind im Ratgeber zum Werkzeugverschleiß im Einzelnen behandelt.

Klebneigung und Aufbauschneide

Die hohe Duktilität des austenitischen Gefüges begünstigt ein Verschweißen des Spans mit der Schneidkante unter Druck. Diese verschweißte Anhäufung wird als Aufbauschneide (built-up edge, BUE) bezeichnet. Vor dem Abreißen verändert die Aufbauschneide die Werkzeuggeometrie; beim Abreißen nimmt sie die Beschichtung mit und hinterlässt einen Mikroausbruch an der Kante. Beim Fräsen geht die Schneidkante häufig nicht unmittelbar durch Verschleiß verloren, sondern durch den von der Aufbauschneide verursachten Kantenausbruch.

Kaltverfestigung

Wird austenitischer Edelstahl plastisch verformt, entsteht unter der Oberfläche eine dünne Schicht erhöhter Härte. Der nächste Schneidzahn trifft beim Eindringen in diese Schicht auf höhere Kräfte und höhere Temperaturen. Ist die Schicht nicht dick genug, verläuft der Schnitt normal; schneidet das Werkzeug jedoch nicht tief genug, arbeitet jeder Schnitt in dem vom vorangegangenen verfestigten Bereich, und der Vorgang verstärkt sich selbst.

Duplex- und Superduplex-Sorten zeigen eine stärkere Kaltverfestigung als austenitische, ferritische und martensitische Edelstähle. Während das Werkzeug verschleißt, verfestigt sich die bearbeitete Oberfläche zugleich weiter.

3. Die Regel der konstanten und ausreichenden Spanungsdicke

Der häufigste Fehler beim Fräsen von Edelstahl besteht darin, bei einem Problem den Vorschub zu senken. Dieser Reflex wirkt gegenteilig. Mit abnehmendem Zahnvorschub nähert sich die Dicke des entstehenden Spans dem Verrundungsradius der Schneidkante (edge hone) und unterschreitet ihn. Die Kante schneidet den Werkstoff an diesem Punkt nicht mehr, sondern quetscht ihn und glättet ihn dabei. Das Quetschen erzeugt Wärme und verdickt zugleich die verfestigte Schicht.

Der Fräsleitfaden von Sandvik Coromant benennt dieses Verhalten ausdrücklich: Ein sehr niedriger fz-Wert erhöht den Verschleiß, weil die Schneidkante im kaltverfestigten Bereich arbeitet. Dieselbe Begründung gilt bei Duplex-Sorten noch ausgeprägter; um unter die verfestigte Schicht zu gelangen, wird die größtmögliche Schnitttiefe empfohlen. Der IMOA-Leitfaden zum Fräsen von Duplex-Edelstählen fasst dies in eine konkrete Grenze: Beim Gleichlauffräsen ist eine mittlere Spanungsdicke von mindestens 0,1 mm einzuhalten, und mit steigendem Einstellwinkel von 45° auf 90° ist der Vorschub mit einem Faktor zwischen 1,0 und 0,7 zu korrigieren.

Daraus ergeben sich drei praktische Schlussfolgerungen:

• Das Problem wird nicht durch Senken des Vorschubs gelöst. Bei Rattern oder Kantenausbruch sind zuerst Steifigkeit, Werkzeuglänge und Strategie zu überprüfen.
• Mit kleiner werdender radialer Zustellung wird der Vorschub korrigiert. Sinkt der Wert ae unter den Radius des Durchmessers, liegt die tatsächliche Spanungsdicke unter dem nominellen fz-Wert. Ohne Korrektur beginnt das Quetschen. Das Rechenverfahren ist im Ratgeber zur Spanungsdickenreduzierung angegeben. Für die Umrechnung von Drehzahl und Vorschub gilt die Beziehung vf = fz × Z × n.
• Die Spanungsdicke wird konstant gehalten. In Ecken und Radienübergängen nimmt der Eingriffswinkel zu; bleibt der Vorschub konstant, springt die Kraft. CAM-seitig ist eine Bahn mit konstantem Eingriff vorzuziehen.

4. Bereiche für Schnittgeschwindigkeit und Vorschub

Beim Edelstahl hat die Schnittgeschwindigkeit sowohl eine untere als auch eine obere Grenze. Die obere Grenze bestimmt die Wärme, die untere die Aufbauschneide. Bei sehr niedriger Geschwindigkeit nimmt das schnittbedingte Kleben zu; bei sehr hoher Geschwindigkeit bricht die Schneidkante thermisch zusammen.

Dass die Bereiche zwischen VHM- und Wendeplattenwerkzeugen so weit auseinanderliegen, ist nicht überraschend: Bei Wendeplattenwerkzeugen ist die Schneidkante dicker, die Beschichtung dicker, und die thermische Last wirkt über eine kürzere Zeit. Der VHM-Schaftfräser hingegen kann die Wärme mit seinem dünnen Querschnitt nicht ertragen.

Auf der Seite des Zahnvorschubs gibt eine verbreitete Referenz ein mit dem Durchmesser skalierendes Band an: von etwa 0,013 mm/Zahn bei 3,175 mm (1/8") Durchmesser bis etwa 0,15 mm/Zahn bei 25,4 mm (1") Durchmesser. Diese beiden Enden ergeben grob eine Ausgangsregel der Form fz ≈ 0,4–0,6 % des Durchmessers. Die Werte gelten für das Schruppen von Schultern; in der vollen Nut wird zur unteren Grenze, bei trochoidaler Strategie nach der Spanungsdickenkorrektur zur oberen Grenze hin gegangen.

5. Werkzeug, Beschichtung und Schneidkantenpräparation

Bei der Werkzeugwahl für Edelstahl sind drei Eigenschaften bestimmend: Schärfe, Kantenzähigkeit und Klebbeständigkeit.

Beschichtung. PVD-Beschichtungen sind typischerweise 1–4 µm dick und erhalten die Schärfe der Schneidkante. Deshalb liegt die allgemeine Präferenz bei Edelstahl auf der PVD-Seite. Aluminiumhaltige Beschichtungen (Familie AlTiN / TiAlN) stechen durch Oxidationsbeständigkeit und geringe Klebneigung hervor; diese Beschichtungen verhalten sich auch bei trockener oder eingeschränkt gekühlter Bearbeitung konsistent. Ein Vergleich der Beschichtungsfamilien ist im Ratgeber zu Beschichtungen ausführlich dargestellt.

Schneidkantenpräparation. Die Kantenverrundung ist eine Abwägung in zwei Richtungen. Eine zu stark verrundete Kante verstärkt den Quetscheffekt und begünstigt die Kaltverfestigung; eine zu scharfe Kante bricht im unterbrochenen Schnitt aus. Beim VHM-Schaftfräser wird eine leichte und gleichmäßige Kantenpräparation auf feinkörnigem Hartmetall bevorzugt, bei Wendeplattenwerkzeugen dagegen eine verstärkte Schneidkantengeometrie. Feinkörniges Hartmetall ist in dieser Gruppe verbreitet, weil es Zähigkeit bietet, ohne die Kantenschärfe zu beeinträchtigen.

Geometrie. Beim Schruppen von Schultern und Taschen sind 4–5 Schneiden verbreitet. Beim Fräsen der vollen Nut ist die Spanabfuhr bestimmend, daher wird die Schneidenzahl niedrig gehalten. Bei schlichtenden Seitenübergängen werden ein Drallwinkel über 40° und eine Schneidenzahl von 5 und mehr eingesetzt. Bei trochoidaler Strategie ist die radiale Zustellung klein, sodass mit 5- bis 7-schneidigen Werkzeugen ein hohes Zeitspanvolumen erreicht werden kann; das Verfahren ist im Ratgeber zum trochoidalen Fräsen beschrieben.

6. Unterbrochener Schnitt, Verweilen und An- und Auslauf

Beim Edelstahl erzeugt ein Verweilen des Werkzeugs im Schnitt unmittelbar Schaden. Hält die Werkzeugmaschine eine Sekunde lang inne, verfestigt sich der Werkstoff an der Kontaktstelle, und beim nächsten Schnitt trifft die Kante auf diese harte Stelle. Daher gilt:

• Verweilbefehle (dwell), bei denen der Vorschub im Programm auf null gesetzt wird, sind zu vermeiden.
• Das Werkzeug darf nicht angehalten werden, ohne von der Schnittfläche zurückgezogen zu sein.
• Der unterbrochene Schnitt wird so weit wie möglich verringert. Über Bohrungen hinweg verlaufende Planbahnen, unterbrochene Schulterübergänge und Bahnen, die den Zahn immer wieder in den Leerraum führen, beschleunigen den Kantenausbruch.
• Der Anschnitt erfolgt über eine radiale Rampe oder einen Bogen; statt des senkrechten Eintauchens ist die helikale Interpolation vorzuziehen.

Die Steifigkeit ist ein eigenes Thema. Die hohe Schnittkraft von Edelstahl wird in Verbindung mit einem langen Werkzeug und einer schwachen Spannung zu Rattern, und Rattern bricht die scharfe Schneidkante. Das Werkzeug ist in der kürzestmöglichen Auskraglänge in einer Werkzeugaufnahme mit gemessenem Rundlauffehler zu spannen.

7. Kühlschmierstoff: Druck und Ausrichtung

Beim Edelstahl besteht die Funktion des Kühlschmierstoffs weniger im Kühlen als im Abtransport des Spans aus der Schnittzone und in der Verringerung des Klebens. Entscheidend sind neben der Durchflussmenge vor allem der Druck und das genaue Treffen des Strahls.

Bei Anwendungen mit Hochdruckkühlung liegt die Standardfähigkeit in der Größenordnung von 70/80 bar (1.015/1.160 psi), und dieses Niveau gilt für die meisten Anwendungen als ausreichend. Bei Werkstoffen mit schwer brechendem Span wie Superduplex und Nickelbasislegierungen wird bis 150 bar (2.176 psi) gegangen. Die Düsendurchmesser werden in der Größenordnung von 1 mm gehalten, damit der Strahl die Schnittzone ohne Aufweitung erreicht und der Gesamtdurchflussbedarf begrenzt bleibt. Ein richtig ausgerichteter Hochdruckstrahl bildet zwischen Span und Spanfläche einen hydraulischen Keil und verkleinert damit die Kontaktfläche; im Ergebnis verbessert sich die Spankontrolle und die thermische Last an der Schneidkante nimmt ab.

Demgegenüber ist Kühlschmierstoff nicht in jeder Operation die richtige Wahl. Beim Schruppen mit Wendeplatten-Planfräsern erwärmt und kühlt sich die Schneidkante bei jeder Umdrehung, sodass der Kühlschmierstoff die Entstehung von Thermorissen beschleunigt; unter diesen Bedingungen wird die Trockenbearbeitung empfohlen. Auch der Duplex-Leitfaden der IMOA gibt an, dass beim Planfräsen mit Wendeschneidplatten, insbesondere beim Schruppen, kein Kühlschmierstoff verwendet wird, damit die Späne sauber vom Werkzeug abgeführt werden können. Bei Nut-, Taschen- und tiefen Schulterarbeiten mit dem VHM-Schaftfräser ist der Kühlschmierstoff dagegen unverzichtbar, da der Span zwingend aus der Spannut abgeführt werden muss.

8. Zusätzliche Schwierigkeiten bei Duplex und Superduplex

Duplex-Edelstähle enthalten die Phasen Austenit und Ferrit zu etwa gleichen Anteilen. Dieses Gefüge hebt die Streckgrenze deutlich über die der austenitischen Sorten und erhöht die Schnittkraft. Superduplex-Sorten (zum Beispiel S32750 und S32760; Lochkorrosionsbeständigkeit PREN im Bereich 40–43) zeigen dasselbe Verhalten in noch ausgeprägterer Form. Zum Vergleich liegt der PREN-Wert von 316L bei 24–25, der des Standard-Duplex 2205 (S31803 / S32205) im Bereich 33–36.

In der Praxis treten drei Unterschiede hervor:

1. Die Schnittgeschwindigkeit wird gesenkt. Beim Planfräsen mit Hartmetall-Wendeschneidplatten werden für 2205 beim Schruppen 50–80 m/min und beim Schlichten 80–110 m/min, für 2507 beim Schruppen 30–50 m/min und beim Schlichten 50–70 m/min angegeben. Diese Werte liegen deutlich unter dem für austenitische Sorten empfohlenen Band von 150–250 m/min. Allerdings hat auch die Geschwindigkeit eine untere Grenze; eine übermäßig niedrige Geschwindigkeit bringt die Aufbauschneide zurück.
2. Die Schnitttiefe wird erhöht. Um unter die verfestigte Schicht des vorangegangenen Schnitts zu gelangen, wird der tiefstmögliche Querschnitt genommen.
3. Steifigkeit und Kühlung werden erhöht. Schon ein leichtes Rattern bricht die Schneidkante; die Hochdruckkühlung gilt in dieser Gruppe nicht als Ausnahme, sondern als Regel.

Die Spankontrolle erfordert zusätzliche Aufmerksamkeit. Da hohe Festigkeit und hohe Dehnung zusammentreffen, bleibt der Span lang, wickelt sich um das Werkstück und beschädigt dessen Oberfläche. Der Span ist fortlaufend vom Werkstück abzuführen.

9. Parametertabelle mit Anwendungsbeispielen

Die folgenden Werte sind aus den oben angegebenen Herstellerbereichen ausgewählte Ausgangspunkte; sie sind nach Maschinenleistung, Spannsteifigkeit und Werkzeuglänge zu korrigieren.

Die bei Edelstahlarbeiten eingesetzten VHM-Werkzeuge sind in der Kategorie Schaftfräser aufgeführt.

Quellen

• ISO 513:2012 — Classification and application of hard cutting materials for metal removal with defined cutting edges — Designation of the main groups and groups of application
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling (iso.org)
• ISO 15510:2014 — Stainless steels — Chemical composition
• Sandvik Coromant — How to do milling in different materials (sandvik.coromant.com)
• Sandvik Coromant — Machining with coolant / coolant aspects (sandvik.coromant.com)
• Harvey Performance Company — Slaying Stainless Steel: Machining Guide (harveyperformance.com)
• Nickel Institute — Stainless Steels for Machining, A Designers' Handbook Series No. 9011 (nickelinstitute.org)
• International Molybdenum Association (IMOA) — Practical Guidelines for the Fabrication of Duplex Stainless Steels, 3rd Edition (imoa.info)