Werkzeugverschleiß-Mechanismen und Standzeit: Diagnose, Gegenmaßnahme und wirtschaftliche Bewertung

Werkzeugverschleiß ist kein einzelnes Ereignis, sondern eine Gruppe von Mechanismen mit jeweils unterschiedlichen Ursachen. Wer an einer verschlissenen Schneidkante ablesen kann, welcher Mechanismus vorherrscht, findet die richtige Gegenmaßnahme. Dieser Ratgeber behandelt acht grundlegende Mechanismen, die ISO-Standzeitkriterien, die Taylor-Standzeitgleichung und die wirtschaftliche Bewertung der Standzeit.

1. Zwei grundlegende Versagensformen

Das Versagen eines Werkzeugs teilt sich in zwei Gruppen. Die erste ist der allmähliche Verschleiß: Die Schneidkante geht langsam und vorhersehbar zurück, das Maß wandert, die Oberfläche verschlechtert sich. Die zweite ist der plötzliche Schaden: Durch Ausbrüche, Bruch oder plastisches Zusammensinken verliert die Schneidkante schlagartig ihre Funktion.

Eine Fertigungsplanung lässt sich nur auf dem allmählichen Verschleiß aufbauen. Ziel der Parameter- und Werkzeugwahl ist deshalb, die Mechanismen des plötzlichen Schadens zu unterdrücken und das Versagen auf den Freiflächenverschleiß zu reduzieren. Auch die Normenreihe ISO 8688 gründet ihre Standzeitkriterien auf messbare Verschleißkenngrößen; da ein plötzlicher Bruch keinen messbaren Verschleißwert liefert, wird er als eigene Versagensform erfasst.

2. Mechanismen des allmählichen Verschleißes

Freiflächenverschleiß (flank wear, VB)

Ein gleichmäßiges Verschleißband auf der Freifläche unterhalb der Schneidkante. Ursache ist Abrasion: Harte Phasen im Werkstück (Karbide, Oxideinschlüsse, Gusshaut) tragen die Werkzeugoberfläche wie Schleifpapier ab.

Als visueller Befund zeigt sich ein blankes Band gleichmäßiger Breite entlang der Schneidkante. Die Breite dieses Bandes wird als VB gemessen und bildet die Grundlage des Standzeitkriteriums. Der Freiflächenverschleiß ist die erwünschte Verschleißform; da er stetig fortschreitet, lässt sich die Standzeit vorhersagen.

Bei zu schnellem Fortschritt ist die Schnittgeschwindigkeit zu senken und eine verschleißfestere Sorte oder Beschichtung zu wählen. Der Einfluss der Schneidstoffwahl auf die Standzeit ist im Ratgeber zu Schneidstoffen ausführlich behandelt.

Kolkverschleiß (crater wear)

Eine muldenförmige Vertiefung auf der Spanfläche im Bereich des Spanablaufs. Ursache sind Diffusion und chemische Wechselwirkung: Bei hoher Temperatur gehen Elemente des Schneidstoffs in den Span über. Da die Temperatur mit der Schnittgeschwindigkeit exponentiell ansteigt, ist der Kolk das deutlichste Anzeichen für einen Fehler in der Geschwindigkeit.

Als visueller Befund zeigt sich unmittelbar hinter der Schneidkante ein blanker, ausgehöhlter Bereich. Mit zunehmender Kolktiefe wird die Schneidkante von innen geschwächt und bricht ohne Vorankündigung. ISO 3685 definiert für die Kolktiefe KT ein vom Vorschub abhängiges Kriterium; in der Praxis gelten Tiefen in der Größenordnung von 0,05–0,10 mm als Standzeitende.

Gegenmaßnahmen sind das Senken der Schnittgeschwindigkeit, der Einsatz von Sorten mit Beschichtungen aus Aluminiumoxid oder vom Typ AlTiN, die als Wärmebarriere wirken, sowie eine verbesserte Kühlung.

Kerbverschleiß (notch wear)

Örtlicher Verschleiß, der sich auf der Schnitttiefenlinie konzentriert, also an der Grenze, an der das Werkzeug in das Werkstück eintritt. Ursache ist die vom vorangegangenen Schnitt kaltverfestigte Oberflächenschicht, die Gusshaut oder eine Zunderschicht. Da diese harte Schicht auf einen einzigen Punkt der Schneidkante trifft, sammelt sich der Verschleiß dort an.

Als visueller Befund zeigt sich ein plötzliches Tieferwerden des Verschleißbandes auf einer bestimmten Höhe. Am häufigsten tritt er bei austenitischen nichtrostenden Stählen und bei warmfesten Nickelbasislegierungen auf; die Bearbeitung dieser Gruppen ist im Ratgeber Fräsen von Edelstahl gesondert untersucht.

Die wirksamste Gegenmaßnahme ist das Verändern der Schnitttiefe zwischen den Schnitten; so trifft die verfestigte Schicht nicht jedes Mal denselben Punkt der Schneidkante. Ein kleinerer Einstellwinkel, runde Geometrien und zähere Sorten verlangsamen die Kerbbildung.

Aufbauschneide (built-up edge, BUE)

Sie entsteht durch Kaltverschweißen des Spans unter Druck an der Schneidkante. Das aufgeschweißte Material verändert die Geometrie der Schneidkante, löst sich nach einiger Zeit ab und reißt dabei Partikel aus der Werkzeugoberfläche heraus. Dadurch werden sowohl die Oberflächengüte als auch die Kantenintegrität beeinträchtigt.

Als visueller Befund zeigt sich eine unregelmäßige Anlagerung aus Werkstückwerkstoff auf der Schneidkante und dazu eine blanke, aufgeraute Oberfläche. Niedrige Schnittgeschwindigkeit, klebender Werkstoff und unzureichende Kühlung sind die Hauptursachen.

Gegenmaßnahmen sind das Anheben der Schnittgeschwindigkeit, die Wahl scharfer Geometrien mit positivem Spanwinkel, der Einsatz von Beschichtungen mit glatter Spanfläche und das direkte Zuführen des Kühlschmierstoffs in die Schnittzone. Auch Art, Konzentration und Strahlrichtung des Kühlschmierstoffs beeinflussen die Neigung zur Aufbauschneide deutlich.

3. Mechanismen des plötzlichen Schadens

Plastische Verformung

Das Fließen und die Formänderung der Schneidkante unter Temperatur und Druck. Wenn die Kobalt-Bindephase des Hartmetalls erweicht, sinkt die Schneidkante ein oder wölbt sich seitlich aus. Ursache ist das gleichzeitige Anwenden hoher Schnittgeschwindigkeit und hohen Vorschubs; bei gehärteten Werkstoffen liegt die Schwelle niedriger.

Als visueller Befund zeigen sich eine Verrundung der Schneidkante, die ihre Schärfe verliert, und eine deutliche Aufwölbung auf der Freifläche. Nach dem Einsetzen der plastischen Verformung nimmt der Freiflächenverschleiß rasch zu.

Gegenmaßnahmen sind das Senken von Schnittgeschwindigkeit und Vorschub, die Wahl einer härteren Sorte mit niedrigerem Kobaltgehalt, dicke Wärmebarriere-Beschichtungen und eine wirksame Kühlung.

Kammriss (comb crack)

Feine, quer zur Schneidkante verlaufende und parallel zueinander angeordnete Risse. Weil sie an die Zinken eines Kamms erinnern, werden sie „Kammrisse“ genannt. Ursache ist thermische Ermüdung: Beim Fräsen erwärmt sich jede Schneide beim Eintritt in den Schnitt und kühlt beim Austritt durch Luft oder Kühlschmierstoff rasch ab.

Als visueller Befund zeigen sich regelmäßig beabstandete Linien entlang der Schneidkante. Wenn die Risse zusammenlaufen, bricht das Material dazwischen heraus und es entstehen Ausbrüche.

Gegenmaßnahme ist die Verringerung der Temperaturschwankung. Beim Fräsen wird entweder gar kein Kühlschmierstoff eingesetzt oder ununterbrochen und reichlich zugeführt; eine mit halbem Druck geführte, unregelmäßige Zufuhr ist die schlechteste Variante. Eine zähere Sorte und eine niedrigere Schnittgeschwindigkeit verzögern die Rissbildung.

Ausbrüche (chipping) und Bruch

Ausbrüche sind das Herausbrechen kleiner Partikel aus der Schneidkante; Bruch ist die vollständige Schädigung der Schneidkante oder des Werkzeugs. Ursache ist mechanische Überlastung: Rattern, unterbrochener Schnitt, Spanklemmen, überhöhter Vorschub oder überhöhte Schnitttiefe, unzureichende Spannung und die Weiterverwendung eines verschlissenen Werkzeugs.

Als visueller Befund zeigen sich unregelmäßige Ausbrüche an der Schneidkante und eine dadurch gestörte Oberfläche. Beim Bruch wird das Werkzeug unbrauchbar und meist wird auch das Werkstück zu Ausschuss.

Gegenmaßnahmen sind die Erhöhung der Steifigkeit, das Spannen des Werkzeugs in der kürzest möglichen Länge und mit dem kürzesten freien Überstand, die Verringerung von Vorschub und Schnitttiefe sowie die Sicherstellung der Spanabfuhr. Bei durch Rattern verursachten Ausbrüchen kann dem Ratgeber zu Ratterlösungen gefolgt werden.

4. Tabelle für Diagnose und Gegenmaßnahme

Zur Diagnose: Dasselbe Erscheinungsbild kann mehrere Ursachen haben. Die Diagnose ist nicht allein anhand der Verschleißform zu stellen, sondern unter gleichzeitiger Betrachtung von Werkstoffgruppe, Schnittgeschwindigkeit und Kühlbedingung. Zur Unterscheidung der Werkstoffgruppen dient der Ratgeber zu den ISO-Werkstoffgruppen.

5. ISO-Standzeitkriterien

Die Standzeit ist nur mit einem definierten Kriterium messbar. Internationale Normen quantifizieren diese Kriterien und machen den Vergleich verschiedener Werkzeuge möglich.

ISO 3685 unterteilt die Schneidkante für die Messung in Zonen; VB bezeichnet die mittlere Breite des gleichmäßigen Verschleißbandes, VBmax die örtlich größte Breite. Das Kolkkriterium KT wird über eine vom Vorschub abhängige Beziehung angegeben. Beim Fräsen sind in der Praxis eine Grenze von 0,3 mm für den mittleren VB und von 0,5 mm für örtlichen Verschleiß verbreitet.

In der Werkstattpraxis werden diese Werte nicht unmittelbar übernommen. Während beim Schruppen das Kriterium höher angesetzt werden kann, gilt die Standzeit beim eng tolerierten Schlichten in dem Moment als beendet, in dem Maßabweichung oder Oberflächenrauheit die Toleranz überschreiten.

6. Taylor'sche Standzeitgleichung

Der Zusammenhang zwischen Schnittgeschwindigkeit und Standzeit wird durch die Taylor-Beziehung ausgedrückt:

vc × T^n = C

Dabei ist vc die Schnittgeschwindigkeit (m/min), T die Standzeit (min), n ein vom Schneidstoff abhängiger Exponent und C eine Konstante für die jeweiligen Bedingungen. In erweiterter Form gehen auch Vorschub und Schnitttiefe als vc × T^n × fz^a × ap^b = C in die Gleichung ein.

Diese Bereiche unterscheiden sich zwischen den Quellen und ändern sich je nach Werkstückwerkstoff. Der genaue Wert lässt sich nur durch einen Versuch für das betreffende Werkstoff-Werkzeug-Paar bestimmen.

Zahlenbeispiel: Wurde bei n = 0,25 und vc = 200 m/min eine Standzeit von 30 min gemessen, so ergibt sich C = 200 × 30^0,25 ≈ 468. Wird die Geschwindigkeit auf 240 m/min erhöht, folgt T = (468 / 240)^(1/0,25) ≈ 14,5 min. Eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um 20 % halbiert die Standzeit annähernd. Für Parameterberechnungen kann das Werkzeug für Schnittparameter genutzt werden.

7. Wirtschaftliche Bewertung der Standzeit

Ein Werkzeug bis zum Ende seiner Standzeit zu nutzen, ist nicht immer die günstigste Variante. In den Veröffentlichungen von Sandvik Coromant zur Fertigungswirtschaftlichkeit wird der Aufwand für Zerspanungswerkzeuge mit etwa 3 % der Gesamtfertigungskosten angegeben; der Rest entfällt auf Maschine, Lohn und Gemeinkosten. Dieses Verhältnis erklärt, warum eine Einsparung über den Werkzeugpreis meist wenig bringt.

Die werkzeugbezogenen Kosten je Teil werden folgendermaßen geschrieben:

CWerkzeug = (tc / T) × (Ck + Cm × td)

Dabei ist tc die Schnittzeit je Teil, T die Standzeit, Ck die Kosten einer Schneidkante, Cm die Minutenkosten von Maschine und Bediener und td die Zeit für Werkzeugwechsel und Wiedereinrichtung.

Der kritische Term der Gleichung ist das Produkt Cm × td. Dauert der Werkzeugwechsel fünf Minuten, übersteigen die Kosten der aufgewendeten Maschinenzeit in den meisten Betrieben den Wert des Werkzeugs selbst. Deshalb amortisiert jede standzeitverlängernde Maßnahme den Unterschied im Werkzeugpreis rasch.

Die wirtschaftliche Standzeit mit den geringsten Kosten wird über den Taylor-Exponenten folgendermaßen abgeschätzt:

Twirtschaftlich = ((1 / n) − 1) × (td + Ck / Cm)

Bei n = 0,25, td = 5 min und einem Verhältnis Ck / Cm im Gegenwert von 10 min ergibt sich eine wirtschaftliche Standzeit von 3 × 15 = 45 min. Liegt die gemessene Standzeit weit darunter, ist die Schnittgeschwindigkeit zu hoch; liegt sie weit darüber, wird unterhalb des Maschinenpotenzials gearbeitet.

Ein geplanter Wechsel setzt die Überwachung des Verschleißes voraus. Wiederholt sich dieselbe Arbeit, wird die Standzeit einiger Werkzeuge durch VB-Messung bestimmt; anschließend wird diese Zeit in eine Teile- oder Zyklenzahl umgerechnet und ein fester Wechselintervall festgelegt. Auch die richtige Geometriewahl wirkt sich unmittelbar auf die Standzeit aus; passende Typen lassen sich in der Kategorie der flachen Schaftfräser ansehen.

Quellen

• ISO 3685:1993 — Tool-life testing with single-point turning tools — iso.org
• ISO 8688-1:1989 — Tool life testing in milling — Part 1: Face milling — iso.org
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling — iso.org
• Machinery's Handbook — Cutting tool wear, tool life and the Taylor tool life equation, Industrial Press
• Sandvik Coromant — Wear on cutting edges — sandvik.coromant.com
• Sandvik Coromant — Manufacturing economics — sandvik.coromant.com
• Kennametal — Troubleshooting Indexable Milling — kennametal.com
• Harvey Performance Company — How to Avoid 4 Major Types of Tool Wear — harveyperformance.com