Fräsen von gehärtetem Stahl und Werkzeugstahl (ISO H): Strategie, Geometrie und Oberflächenqualität

Das Fräsen von gehärtetem Stahl ist keine „langsamere“ Form des Fräsens von weichem Stahl, sondern eine eigenständige Strategie, die auf einem anderen Gleichgewicht aus Kraft, Wärme und Verschleiß beruht. Dieser Beitrag behandelt die Grenzen der ISO-Gruppe H, die Härtebereiche gängiger Werkzeugstähle, das Verhältnis von Zustellung, Drehzahl und Vorschub beim Hartfräsen, das geometrische Verhalten von Kugel- und Eckenradiusfräsern, die Wahl von Beschichtung und Kühlung sowie die Berechnung der Oberflächenqualität.

1. Die Grenzen der ISO-Gruppe H und gängige Werkzeugstähle

In der Klassifizierung nach ISO 513, die die Anwendungsgruppen der Schneidstoffe definiert, umfasst die Gruppe H gehärtete und angelassene Stähle sowie weißes Gusseisen. In technischen Veröffentlichungen der Hersteller wird der Härtebereich der Gruppe mit 45–68 HRC angegeben; die spezifische Schnittkraft (kc1) liegt je nach Werkstoff bei etwa 2.550–4.870 N/mm². Das bedeutet bei gleichem Spanungsquerschnitt eine deutlich höhere Kraft als in der ISO-Gruppe P. Die allgemeine Logik der Gruppen wird im Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen behandelt.

Nicht alle im Formen- und Werkzeugbau vorkommenden Stähle fallen in diese Gruppe. Vorvergütete Kunststoffformenstähle zeigen mit ihrer Lieferhärte weiterhin das Verhalten der Gruppe ISO P; der Übergang zu ISO H erfolgt, wenn durch Wärmebehandlung 45 HRC überschritten werden.

In Lieferantenkatalogen können diese Bereiche um einige HRC abweichen; für 1.2344 sind Werte zwischen 45–52 HRC und 48–54 HRC veröffentlicht. Bei der Parameterwahl ist der tatsächliche Wert aus dem Werkstoffzeugnis zugrunde zu legen. Bei 1.2767 ist der Zusammenhang zwischen Anlasstemperatur und Härte ausgeprägt: Bei niedriger Anlasstemperatur wird ein Niveau von 56 HRC erreicht, bei hohen Anlasstemperaturen sinkt die Härte in das Band um 40 HRC.

2. Die Schwelle von 45 HRC: der Punkt, an dem Hartfräsen zur Alternative zum Schleifen wird

Oberhalb von 45 HRC ändern sich zwei Dinge gleichzeitig. Der Werkstoff verschleißt die Schneidkante nicht nur, er belastet sie auch plastisch; zugleich konzentriert sich die Wärme wegen des kleineren Spanungsquerschnitts weitgehend an der Schneidkante. Deshalb ist die vom Schneidstoff erwartete Eigenschaft nicht „Schärfe“, sondern Warmhärte und Widerstand gegen plastische Verformung.

Der Grund für die industrielle Verbreitung des Hartfräsens ist wirtschaftlicher Natur. Wenn Freiform-Formflächen im gehärteten Zustand in einer Aufspannung fertiggestellt werden können, verkürzen sich die Fertigung von Erodierelektroden und die Profilschleifschritte. In technischen Veröffentlichungen der Hersteller wird angegeben, dass auf der Frässeite beschichtetes Hartmetall bis etwa 60 HRC der vorherrschende Schneidstoff ist und darüber CBN-bestückte Sorten beim Vorschlichten und Schlichten zum Einsatz kommen. Für CBN-Sorten ist die Bedingung eindeutig: sehr stabile Einspannung und trockener Schnitt. Ein allgemeiner Vergleich der Schneidstoffe findet sich im Ratgeber zu den Schneidstoffen.

3. Schnittlogik: geringe Zustellung, hohe Drehzahl, niedriger Vorschub

Die drei Parameter des Hartfräsens gleichen einander aus.

Geringe radiale Zustellung (ae). Die Radialkraft steigt unmittelbar mit der Eingriffsbreite; bei gehärtetem Werkstoff verbiegt diese Kraft das Werkzeug und führt zu Maßabweichungen. Mit kleinem ae wird die Radialkraft niedrig gehalten, und im Gegenzug kann die axiale Tiefe erhöht werden. Bei kugelförmiger oder rundstirniger Geometrie wächst der Einstellwinkel mit der axialen Tiefe; nach der Beziehung κ = arccos(1 − 2 × ap / D) steigt der Einstellwinkel auf 60°, wenn die axiale Tiefe ein Viertel des Durchmessers erreicht. Da die Radialkraft darüber hinaus rasch zunimmt, werden beim Hartfräsen deutlich geringere Zustellungen bevorzugt.

Hohe Drehzahl. Die Schnittgeschwindigkeit erhöht bei gehärtetem Werkstoff die Temperatur in der Schnittzone und senkt damit die Fließgrenze des Werkstoffs. Dadurch wird die Wärme kontrolliert in den Span abgeführt. Eine Erhöhung der Drehzahl ist nur mit einer dynamisch gut ausgewuchteten Werkzeugaufnahme und geringem Rundlauffehler sinnvoll.

Niedriger Zahnvorschub (fz). Der Ausbruch der Schneidkante ist bei hartem Werkstoff die häufigste Form des plötzlichen Standzeitendes. Ein niedrig gehaltener Zahnvorschub begrenzt die Stoßbelastung je Schneide. Da der Gesamtvorschub über die Beziehung vf = fz × Z × n berechnet wird, wird ein niedriger fz in der Regel durch eine hohe Schneidenzahl und eine hohe Drehzahl ausgeglichen. Das Rechenverfahren ist im Ratgeber zur Berechnung von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub ausführlich dargestellt.

4. Geometrie: Eckenradius- und Kugelfräser

Bei gehärtetem Stahl wird ein scharfkantiger Schaftfräser grundsätzlich nicht bevorzugt. Die scharfe Ecke ist der zugleich dünnste und am stärksten beanspruchte Bereich der Schneidkante, und der erste Ausbruch beginnt dort. Der Eckenradiusfräser (Torus) verteilt die Last über eine größere Schneidenlänge, leitet die Wärme ab und liefert unter gleichen Bedingungen eine deutlich längere Standzeit. Bei dreidimensionalen Freiformflächen wird dagegen der Kugelfräser eingesetzt; die kugelförmige Stirn hält die Kontaktgeometrie auch bei wechselnder Flächennormale durchgängig.

Effektiver Durchmesser und tatsächliche Schnittgeschwindigkeit

Beim Kugelfräser hängt der im Eingriff befindliche Durchmesser von der axialen Zustelltiefe ab. Bei geringer Zustellung weist eine Drehzahlberechnung nach dem Nenndurchmesser die tatsächliche Schnittgeschwindigkeit zu hoch aus. Der effektive Durchmesser:

Deff = 2 × √(ap × (D − ap)) (für ap ≤ D/2)

Beim Eckenradiusfräser gilt, wenn die axiale Tiefe kleiner als der Eckenradius ist:

Deff = D − 2r + 2 × √(2 × r × ap − ap²) (für ap ≤ r)

Die folgende Tabelle zeigt für einen Kugelfräser mit 10 mm den effektiven Durchmesser und die bei einer konstanten Drehzahl von 10.000 min⁻¹ entstehende tatsächliche Schnittgeschwindigkeit.

Die Tabelle macht den häufigsten Fehler beim Hartfräsen sichtbar: Ein Kugelfräser, der mit 0,2 mm axialer Zustellung arbeitet, schneidet bei einer mit dem Nenndurchmesser von 10 mm berechneten Drehzahl tatsächlich mit etwa einem Drittel der angestrebten Geschwindigkeit. In diesem Fall erreicht das Werkzeug das für es günstige Temperaturband gar nicht, und der Kantenverschleiß schreitet schneller voran als erwartet.

Axiale Spanungsdickenreduzierung

Dieselbe Geometrie beeinflusst auch die Spanungsdicke. Im Stirnbereich des Kugelfräsers steht die Schneidkante schräg zur Vorschubrichtung; deshalb ist der programmierte Zahnvorschub größer als die tatsächliche Spanungsdicke. Dies wird als axiale Spanungsdickenreduzierung (axial chip thinning) bezeichnet. Die Folge ist, dass die Schneidkante einen übermäßig dünnen Span abnimmt, ohne ausreichend zu schneiden am Werkstoff reibt und schnell verschleißt. Die Korrektur erfolgt durch Anheben des programmierten fz entsprechend dem Reduzierungsverhältnis; das Rechenverfahren ist im Ratgeber zur Spanungsdickenreduzierung angegeben. Fällt die radiale Zustellung unter die Hälfte des Durchmessers, kommt zusätzlich die radiale Spanungsdickenreduzierung ins Spiel, und beide Effekte werden gemeinsam bewertet.

5. Wahl von Beschichtung und Kühlung

Bei gehärtetem Stahl ist die wesentliche von der Beschichtung erwartete Eigenschaft die Oxidationsbeständigkeit bei hoher Temperatur. Deshalb stehen PVD-Beschichtungen mit hohem Aluminiumanteil im Vordergrund:

• AlTiN / TiAlN. Bildet bei Schnitttemperatur an der Oberfläche eine Aluminiumoxidschicht und wirkt damit als thermische Barriere. Weit verbreitet beim trockenen und hochgeschwindigen Schnitt. Die in der Literatur berichtete obere Einsatztemperatur schwankt je nach Quelle; verbreitet wird ein Band von etwa 800–900 °C angegeben.
• AlCrN. Die Oxidationsbeständigkeit ist höher; in Herstellerdaten werden Werte nahe 1.100 °C genannt. In wissenschaftlichen Arbeiten wurde berichtet, dass chromhaltige Beschichtungen auf Aluminiumbasis (AlCrN, TiAlCrN) bei schwer zerspanbaren und gehärteten Werkstoffen ein stabileres Verschleißverhalten zeigen als AlTiN.

Ein allgemeiner Vergleich der Beschichtungsfamilien findet sich im Ratgeber zu Beschichtungen.

Auf der Kühlseite geht die etablierte Praxis des Hartfräsens in Richtung Trockenschnitt oder Druckluft. Das Fräsen ist ein unterbrochener Prozess; die Schneidkante erwärmt sich und kühlt bei jeder Umdrehung ab. Überflutungskühlung vergrößert die Amplitude dieses Zyklus und kann bei beschichtetem Hartmetall zu Thermoermüdungsrissen (Kammrissen) führen. Ein Luftstrahl reicht aus, um die Späne aus der Schnittzone zu entfernen und die Temperatur stabil zu halten; das erneute Schneiden von Spänen gehört bei hartem Werkstoff zu den Hauptursachen für Schneidenausbruch. Als Zwischenlösung wird die Minimalmengenschmierung (MMS) eingesetzt, bei der eine sehr geringe Ölmenge mit dem Luftstrom transportiert wird.

Wird Flüssigkeit eingesetzt, muss der Zufluss ununterbrochen sein. Das Ein- und Ausschalten der Kühlung während des Schnitts ist eine der schnellsten Ursachen für Werkzeugbruch.

6. Oberflächenqualität und Scallop-Höhe

Auf einer mit dem Kugelfräser bearbeiteten Fläche bleiben zwischen benachbarten Bahnen Grate stehen, die als Scallop (Cusp) bezeichnet werden. Für den Kugelradius R und den Bahnabstand ae beträgt die Scallop-Höhe:

h = R − √(R² − (ae/2)²)

Bei kleinen Bahnabständen lautet die praktische Näherung h ≈ ae² / (8 × R). Diese Beziehung macht eine Konsequenz unmittelbar sichtbar: Bei halbiertem Bahnabstand sinkt der Scallop auf etwa ein Viertel, im Gegenzug verdoppelt sich die Bearbeitungszeit.

Die Tabelle zeigt, dass ein Kugelfräser mit größerem Durchmesser bei gleichem Bahnabstand einen niedrigeren Scallop erzeugt. Die Durchmesserwahl beim Schlichten von Formen richtet sich deshalb sowohl nach dem kleinsten Innenradius als auch nach der angestrebten Oberflächenqualität. Der Zusammenhang zwischen Scallop-Höhe und dem gemessenen Ra/Rz ist nicht unmittelbar; die Einzelheiten sind im Ratgeber zur Oberflächenrauheit erläutert.

Es gibt zwei weitere etablierte Praktiken, die die Schlichtqualität verbessern. Die erste besteht darin, den Zahnvorschub für eine gleichmäßige und symmetrische Oberflächenstruktur nahe am Bahnabstand zu halten (fz ≈ ae). Die zweite ist eine Neigung der Werkzeugachse gegenüber der Fläche um 10–15°; damit wird der Kugelmittelpunkt, an dem die Schnittgeschwindigkeit null ist, aus dem Kontakt genommen, und sowohl die Spanbildung als auch die Standzeit verbessern sich. In Herstellerveröffentlichungen wird angegeben, dass die Schnittgeschwindigkeit bei sehr kleinem Bahnabstand (im Superschlichtbereich) wegen der kürzeren Kontaktzeit deutlich angehoben werden kann.

7. Eigenspannungen, Arbeitsfolge und Steifigkeit

Härten und Anlassen hinterlassen im Werkstoff eine Volumenänderung und thermische Eigenspannungen. Mit fortschreitendem Materialabtrag gleichen sich diese Spannungen neu aus, und das Bauteil verzieht sich. In der Wärmebehandlungspraxis lautet die etablierte Reihenfolge Schruppen → Spannungsarmglühen → Schlichten → Härten und Anlassen; das Spannungsarmglühen wird nach dem Schruppen durchgeführt, um die Bewegung aufzunehmen, bevor die Maße endgültig festgelegt sind. Bei Bauteilen, die im gehärteten Zustand bearbeitet werden, ist dagegen zwischen Schrupp- und Schlichtschnitt ein ausreichendes Aufmaß zu belassen, das die Spannungsumlagerung auffängt. Bei harten Oberflächen, die mit sehr geringem Aufmaß in einem Schnitt fertiggestellt werden, treten Maßabweichungen häufig auf.

Die Steifigkeit steht beim Hartfräsen vor den Parametern. Das Werkzeug ist mit der kürzestmöglichen Länge zu spannen, das Verhältnis von Auskragung zu Durchmesser niedrig zu halten und der Rundlauffehler zu minimieren; ein Rundlauffehler erzeugt eine ungleiche Lastverteilung zwischen den Schneidkanten und führt zum vorzeitigen Ausbruch einer einzelnen Schneide. Schrumpffutter und Hydrodehnspannfutter sind deshalb beim Hartfräsen verbreitet; in Herstellerdaten werden für Hydrodehnspannfutter Rundlaufwerte von 3 µm und darunter genannt, und es wird hervorgehoben, dass Hydrodehnspannfutter durch ihre Dämpfungswirkung die Standzeit erhöhen. Die Aufnahmefamilien werden im Ratgeber zu den Werkzeugaufnahmen, die Schwingungsursachen im Ratgeber zu Rattern verglichen.

Die im Formenschlichten eingesetzten Kugel- und Eckenradiuswerkzeuge sind in den Kategorien Kugelfräser und Eckenradiusfräser 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.org)
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling (iso.org)
• Sandvik Coromant — Workpiece materials: ISO H — hardened steel (sandvik.coromant.com)
• Sandvik Coromant — Milling inserts and grades for hardened steel (sandvik.coromant.com)
• Sandvik Coromant — Profile milling: effective diameter, true cutting speed and surface texture (sandvik.coromant.com)
• Harvey Tool — End Mills for Hardened Steels (48–68 Rc): technical data and application notes (harveytool.com)
• Kennametal — Choose the right toolholder for your operations (Daten zu Rundlauf und Dämpfung) (kennametal.com)
• ASM International — ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating (Spannungsarmglühen und wärmebehandlungsbedingter Verzug)
• G. S. Fox-Rabinovich et al. — Design and performance of AlTiN and TiAlCrN PVD coatings for machining of hard to cut materials, Surface & Coatings Technology, 2009 (sciencedirect.com)