Wiki der Zerspanung

Die PCBN-Anwendungsgebiete (engl. „Polycristalline Cubic Boron Nitride“) sind überall dort, wo die Bearbeitung mit PKD (Polykristalliner Diamant) aufgrund der Reaktionsfreudigkeit mit kohlenstoffhaltigen Materialien bei hohen Temperaturen nicht möglich ist. Zu den besonderen Eigenschaften von PCBN-Schneidstoffen zählen seine Härte, die hohe chemische Beständigkeit gegenüber eisenhaltigen Werkstoffen und die sehr hohe thermische Stabilität von bis zu 1200°C.
Hauptanwendungsgebiete sind Eisenwerkstoffe mit Härten von 55-70 HRC (Härte nach Rockwell), sowie Grauguss, Cr-Hartguss und Verschleißlegierungen auf Kobalt-, Nickel- oder Eisenbasis. Zusätzlich ist hier im Gegensatz zu PKD die Trockenbearbeitung möglich und zu bevorzugen. Üblicherweise sind die PCBN-Anwendungsgebiete jene mit hohen Stückzahlen aus den vorhergehend erwähnten Materialien wie z.B. Bremsscheiben, Bremstrommeln, Motorblöcke, Zylinderlaufbüchsen, Schwungräder, Maschinenteile, Getriebeteile, etc.

Polykristallines kubisches Bornitrid (PKB/PCBN) wird weit verbreitet eingesetzt bei der Bearbeitung einer großen Vielfalt harter und/oder abrasiver Werkstücke. PCBN steht für „Polycristalline Cubic Boron Nitride“. Beim polykristallinen kubischen Bornitrid (PKB) handelt es sich um einen synthetisch hergestellten Verbundwerkstoff aus kubischem Bornitrid (cBN) mit keramischer Binderphase. Der Ausgangsstoff für polykristallines kubisches Bornitrid ist Bornitrid-Pulver.

Es wird in einem chemischen Prozess unter hohem Druck und bei Temperaturen von über 1500°C hergestellt. Im Unterschied zu PKD wird beim PCBN der Hartstoff noch vor dem „Hoch Temperatur – Hoch Druck (HTHP)“- Sinter Prozess mit einem kermischen Binder versetzt.

Analog zur Herstellung von PKD-Schneidstoffen, wird in diesem Prozess ebenfalls eine Ronde hergestellt.

Mittels Drahterodieren oder Laserschneiden werden die Ronden in einzelne Segmente zerteilt, welche die Schneiden bzw. Schneidstoff Rohlinge bilden.
Diese Segmente werden in einen Werkzeugträger gelötet und zum fertigen Werkzeug weiterverarbeitet mittels div. Fertigungsverfahren wie Erodieren, Schleifen oder Lasern der Schneidkantenausbildung.

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Für die Produktion von PCBN-Werkzeugen werden hauptsächlich drei Zusammensetzungsvariationen verwendet. Mit steigendem cBN-Gehalt nehmen Härte, Zähigkeit und Wärmeleitfähigkeit zu.

cBN 10 (CBN-Gehalt: 40-75 %; mit Hartmetallunterlage) gehört zu den niedrighaltigen PCBN-Sorten. Diese werden universell zum Drehen, Fräsen und Reiben eingesetzt. Der Bearbeitungsanspruch kann vom kontinuierlich Schnitt, bis hin zur Bearbeitung mit mittleren Unterbrechungen sein.

cBN 20 (CBN-Gehalt: 80-95 %; mit Hartmetallunterlage) gehört zu den hochhaltigen PCBN-Sorten, welche wesentlich härter, jedoch aufgrund des geringeren Binderanteils auch zäher sind. cBN 20 eignet sich daher für das Drehen, Fräsen und Reiben bei der Bearbeitung von mittleren bis starken Schnittunterbrechungen.

cBN 30 (CBN-Gehalt: 80-95 %; ohne Hartmetallunterlage) ist ein massiver PCBN-Schneidstoff, der ohne Hartmetallunterlage als Schneidplatte beim Drehen und Fräsen zumeist bei der Bearbeitung von Gussbauteilen eingesetzt wird. cBN 30 eignet sich auch bei stark unterbrochenem Schnitt für die Schruppbearbeitung, bei großen Schnitttiefen und für sehr abrasive Materialien. Neben dem cBN-Gehalt haben Korngröße und Binder Einfluss auf die Verschleißfestigkeit.

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Bereits seit etwa 3000 Jahren ist der monokristalline Naturdiamant den Menschen als absolut härtester, dennoch natürlich vorkommender Werkstoff bekannt. Dieses aus reinem Kohlenstoff bestehende Mineral wurde schon sehr früh auch als Werkzeug eingesetzt. Die Herstellung kristallisierter synthetischer Diamanten erfolgte jedoch erst 1953, durch den Physiker Erik Lundblad im schwedischen Elektrotechnik-Konzern ASEA. Danach entwickelten sich im Laufe der folgenden Jahrzehnte synthetische Industriediamanten (später auch kubische Bornitride) zur Grundlage für hochharte polykristalline Schneidstoffe, welche heutzutage für die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe nicht mehr wegzudenken sind. Vor allem in der modernen Zerspanung geht es darum, Bauteile möglichst schnell und damit kostengünstig herzustellen. Dies gelingt mit Werkzeugen, die engste Toleranzen und beste Oberflächenwerte erzielen, mit extrem hohen Schnittparametern arbeiten und sehr hohe Standzeiten erreichen. In diesem Fall sind es zunehmend die Werkzeuge, die mit Schneiden aus ultraharten Schneidstoffen wie PKD oder PCBN bestückt sind. PKD steht für „polykristalliner Diamant“ (engl. „Polycristalline Diamond“) und wird hauptsächlich in der Automobil- und deren Zulieferindustrie für die Zerspanung von Bauteilen aus Aluminiumlegierungen eingesetzt – sowie in der Luftfahrtindustrie für Teile aus faserverstärkten Kunststoffen.

PKB bezeichnet den Werkstoff „Polykristallines kubisches Bornitrid“. Aus dem Englischen „Polycristalline Cubic Boron Nitride“ geht die Abkürzung PCBN hervor. Dieser Schneidstoff wird hauptsächlich für die Bearbeitung von gehärteten Bauteilen wie Zahnräder, Wellen oder Gelenke in der Automobilindustrie und bei deren Zulieferern eingesetzt. PKD- und PCBN-Schneidstoffe sind aufgrund ihrer hohen Härte sehr spröde – was sie anfällig für Schneidenausbrüche macht. Aus diesem Grund kommen die Werkzeuge aus diesen Schneidstoffen nur auf modernen Maschinen mit spielfreien Spindeln, guter Werkstückspannung und entsprechendem Kühlmitteldruck zum Einsatz.

In die Entwicklung und Fertigung von PKD- und PCBN-bestückten Werkzeugen stieg Gühring bereits vor über 40 Jahren ein. Seither zählt dieser Geschäftsbereich zu unseren Kernkompetenzen. Am Stammsitz in Albstadt steht das PKD-/PCBN-Hauptwerk, in dem innovative Werkzeuge entwickelt und hergestellt werden. 95 % davon zählen zu den Sonderwerkzeugen, die gemeinsam mit den Kunden für den jeweiligen Anspruch erarbeitet werden. Bei Diamant-Werkzeugen handelt es sich um hochkomplexe Konstruktionen, für deren Fertigung detaillierte Informationen benötigt werden. Dazu gehören 2D- und 3D-Bauteilzeichnungen, Daten zur Maschine und zum Prozess.

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Wann sind PKD-Werkzeuge nicht geeignet?

1. PKD ist nicht geeignet für die Bearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe.
   Trotz der enormen Härte von PKD ist es nicht möglich, eisenhaltige Werkstoffe zu bearbeiten. Der Grund dafür ist die hohe Affinität des Kohlenstoffs zum Element Eisen, das zum Beispiel in den Werkstoffen Stahl und Gusseisen enthalten ist.
   Unter dem Einfluss von Druck und Hitze verbindet sich der Kohlenstoff der Diamanten mit Eisen zu Eisencarbid.
   Es kommt zu einem chemischen Diffusionsverschleiß, bei dem sich die Schneide durch den Kohlenstoffverlust regelrecht zersetzt.
2. PKD ist nicht geeignet für Temperaturen über 700° C.
   Beim Einsatz von PKD ist zu beachten, dass die Temperatur von 700°C nicht überschritten werden darf. Das gilt auch für die Fertigung der Werkzeuge. Denn ab dieser Temperatur findet die Rückumwandlung der Diamant-Kristalle in Grafit stark beschleunigt statt.

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Beim Polykristallinen Diamanten (PKD) handelt es sich um eine synthetisch hergestellte, extrem harte, untereinander verwachsene Masse von Diamantpartikeln mit Zufallorientierung in einer Metallmatrix. Das Ausgangsmaterial für den Schneidstoff PKD sind kleine, synthetisch erzeugte Diamant-Einzelkristalle. Diese werden unter hohem Druck und hoher Temperatur mit einem Hartmetallträger zusammengesintert. Durch den sophistisierten Sinterprozess entsteht eine zweischichtige Ronde. Diese Scheiben werden im nächsten Schritt in kleinere Segmente zerteilt – entweder über das Verfahren des Drahterodierens oder per Laserschneiden. Zum Schluss werden die aus der Ronde gewonnenen Segmente als Schneiden in einen Werkzeugträger gelötet. Für das induktive Einlöten der Schneidsegmente ist eine elektrische Leitfähigkeit erforderlich – die das PKD-Material allein nicht hat, sondern über den Hartmetallträger erhält. Der Schneidstoff PKD ist in vielen verschiedenen Formen und Größen erhältlich. Dabei sind die PKD-Ronden bis zu einem 70 mm Durchmesser verfügbar.

Auch das Drahterodieren, ein formgebendes Schneidverfahren, mit dem sich präzise, filigrane Konturen herstellen lassen, erfordert die elektrische Leitfähigkeit. Die Werkzeugträger für PKD- und PCBN-Schneiden bestehen – in Abhängigkeit von der Größe und den erforderlichen Trägereigenschaften (bspw. Steifigkeit, Trägerverschleiss, Dämpfung) des Durchmessers – entweder aus Vollhartmetall, Stahl, Schwermetall, Titan, CFK oder Aluminium.
Werkzeuge, welche mit PKD-/PCBN-Segmenten bestückt sind, kommen in einer Vielzahl von Verarbeitungen wie Fräsen, Bohren, Einstechen und Drehen zum Einsatz. Besonders für die Bearbeitung von nicht-ferritischen Metallen und abrasiven Nichtmetallen werden sie empfohlen. In die Entwicklung und Fertigung von PKD- und PCBN-bestückten Werkzeugen stieg Gühring bereits vor über 40 Jahren ein. Seither zählt dieser Bereich zu unserem Kerngeschäft. Dabei kooperieren wir sehr eng mit unseren Kunden und bieten Ihnen stets eine individuelle, auf ihre Bedürfnisse und Gegebenheiten angepasste Lösung. Ein engmaschig gewebtes Netz an Außendienstmitarbeitern und Niederlassungen garantiert eine erstklassige Betreuung sowie schnelle Reaktionszeiten.

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Wann sind PKD-Werkzeuge geeignet?

Polykristalliner Diamant (PKD) ist einer der härtesten Schneidstoffe und besticht durch eine Vickershärte von 6500 HV im Vergleich zu gerade mal 1800 HV bei Hartmetall. Daher kommen Werkzeuge mit PKD-Schneiden überall dort zum Einsatz, wo Hartmetall an seine Grenzen stößt oder unwirtschaftlich ist. Ferner verfügt PKD über eine sehr langanhaltend hohe Schärfe, während beispielsweise Werkzeuge aus VHM (Vollhartmetall) zwar eine sehr hohe Anfangsschärfe haben, aber auch sehr schnell abgerundet werden können. Außerdem sind bei den PKD-Werkzeugen die Prozessparameter sehr hoch. Zu den Anwendungsgebieten zählen daher schwer zerspanbare oder hochabrasive Werkstoffe wie Leicht- und Schwermetalle, faserverstärkte Kunststoffe, Keramik, gesinterte und ungesinterte Hartmetalle, sowie Holz.

Polykristalliner Diamant (PKD) hat als Schneidstoff deutlich an Bedeutung gewonnen. Der Schneidstoff zeichnet sich durch seine extrem hohe Härte aus und stellt viele andere Schneidstoffe in den Schatten. Im Vergleich zu anderen Schneidstoffen erreicht PKD eine Härte von circa 8000 HV (dem Härtewert nach Vickers) und weist daher eine extreme Verschleißbeständigkeit auf. Werkzeuge mit Schneiden aus synthetisch hergestelltem polykristallinem Diamanten (PKD) oder auch synthetisch erzeugtem kubischem Bornitrid (PCBN) erlauben höchste Schnittgeschwindigkeiten. Die Bearbeitungszeit sinkt drastisch und der Standweg erhöht sich um ein Vielfaches.
Aus diesem Grund findet man in der Großserienproduktion von Bauteilen aus Nichteisenmetallen fast ausschließlich PKD-Werkzeuge.

Als Ihr Partner für Zerspanungslösungen bieten wir Ihnen ein breites Sortiment an PKD-/PCBN-Schneidstoffen und gewährleisten darüber hinaus maximale Standzeiten und höchste Prozesssicherheit. Sie haben Fragen? Unsere Spezialisten freuen sich auf einen kompetenten Dialog.

Bei der Produktion von PKD-Werkzeugen kommen im Wesentlichen drei verschiedene PKD-Korngrößen zum Einsatz.

1. Das Feinkorn (<4 µ; Diamantanteil: ~90 %) erzeugt sehr scharfe Schneidkanten für höchste Oberflächengüten am Bauteil – wie es beim Reiben erforderlich ist.
2. Das Mittelkorn (6-10 µ; Diamantanteil: ~92 %) wird universell für verschiedene Anwendungen wie Bohren, Fräsen und Reiben eingesetzt. Es zeichnet sich durch ausgezeichnete Abriebfestigkeit und gute Oberflächengüten aus.
3. Das Mischkorn (2-20 µ und 10-35 µ; Diamantanteil: ~95 %) kommt hauptsächlich bei der Fräsbearbeitung zum Einsatz und hat eine sehr hohe Verschleißfestigkeit – dank der Mischung von Fein-, Mittel- und Grobkorn. Bei wärmebehandelten Aluminiumlegierungen und sehr abrasiven Werkstoffen lassen sich beste Ergebnisse erzielen.

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Was ist der Unterschied zwischen PKD und PCBN?

Sowohl bei PKD (Polykristalliner Diamant) als auch bei PCBN (engl. „Polycristalline Cubic Boron Nitride“) handelt es sich um Verbundwerkstoffe. Hierbei sind aber wesentliche Unterschiede im Aufbau der Schneidstoffe zu beachten: Während bei PKD die reinen Diamant-Einzelkristalle in den Hartmetallträger gepresst werden, wird bei PCBN der Hartstoff zunächst mit einem Binder gemischt. Bei PCBN können daher Eigenschaften wie Zähigkeit und Verschleißfestigkeit über das Bindemittel beeinflusst werden, weshalb es sich auch für die Bearbeitung von gehärteten Stählen, Sintermetallen und Gusseisen eignet. Mit PKD lassen sich hingegen NE-Metalle wie Aluminium, Messing, Magnesium oder Bronze mit sehr hoher Qualität bearbeiten.

Der polykristalline Diamant (PKD) ist ein synthetisch hergestellter Diamantschneidstoff, der sehr nahe an die Härte von monokristallinem Diamant (Naturdiamant) kommt. Er besitzt, wie der ebenfalls synthetisch hergestellte Schneidstoff PCBN (engl. „Polycristalline Cubic Boron Nitride“), einen hervorragenden mechanischen Verschleißwiderstand sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

Ein PKD-/PCBN-Werkzeug ist beispielsweise ein rotierendes Zerspanungswerkzeug, welches über eine, oder über mehrere Schneidplatten (ISO-Elementen) und je nach Anwenung auch gelötete Schneiden aus PKD/PCBN verfügt. PKD-/PCBN-Werkzeuge kommen auf modernen CNC-Maschinen zum Einsatz, bieten höchste Standzeiten und sind vor allem bei höheren Stückzahlen meist die wirtschaftlichste Lösung. Der Schneidstoff PCBN ermöglicht durch die hohe Härte die Bearbeitung von gehärteten Stahlbauteilen. Der Schneidstoff PKD findet bevorzugt Verwendung bei der Bearbeitung von NE-Materialien, dazu gehören beispielsweise Leichtbauwerkstoffe wie Aluminium, Magnesium und faserverstärkte Kunststoffe. Im Rahmen von Großserienfertigungen werden durch den Einsatz von PKD-/PCBN-Werkzeugen komplexe Formen unter Einhaltung einer hohen Maßgenauigkeit hergestellt. Hinzu kommen komplexe PKD-/PCBN-Formwerkzeuge, zum Einsatz der Konturerstellung mittels Konturfräsen oder Konturstechen. Dabei lassen sich ebenfalls sehr kleine Toleranzen realisieren.

Der Geschäftsbereich PKD und PCBN zählt seit über 40 Jahren zu unseren Kernkompetenzen, wonach derzeit 95% der PKD-/PCBN-Werkzeuge als Sonderwerkzeuge in enger Abstimmung mit unseren Kunden ausgelegt werden. Wir bieten Ihnen eine individuelle Lösung. Kontaktieren Sie uns einfach.

Was sind die Vor- und Nachteile beim Drahterodieren von PKD?

Mit Hilfe der Maschinensteuerung lassen sich sehr präzise, filigrane Konturen herstellen – und das flexibler und schneller als beim Schleifen.
Auf der anderen Seite entsteht dabei eine schlechtere Oberfläche an der Schneide, da beim Erodieren einzelne Körner des Materialgefüges herausgeschmolzen werden. Dies zeigt sich auch in einer wesentlich schlechteren Oberflächengüte am Bauteil als beim Schleifen.

Ein großer Einflussfaktor auf die Produktivität von PKD- und PCBN-Werkzeugen ist die Maschine: Die Werkzeuge benötigen absolut stabile Bearbeitungsverhältnisse, damit es zu keinen Schneidenausbrüchen kommt – auch für die Realisierung von geringsten Fertigungstoleranzen im µ-Bereich. Die Auslegung der PKD-Werkzeuge ist also abhängig von dem Leistungsdiagramm und dem Zustand der Maschinenspindel. Hierbei unterstützt die Modulaufnahme. Das Werkzeug wird mit der Modulaufnahme in die Maschine oder den Einstellraum eingestellt. Radiale Einstellschrauben können Rundlauffehler der Maschinenspindel ausgleichen. Die axialen Einstellschrauben korrigieren etwaige Winkelfehler.

Schneidplatten aus PKD oder PCBN sind hochleistungsfähig und übertreffen andere Schneidstoffe in der Zerspanung häufig hinsichtlich der erreichbaren Produktivität. Für die höchste Qualität der präzisen PKD- und PCBN-Schneiden gilt es, auch beim Vermessen des Werkzeugs sorgfältig vorzugehen. Das Berühren der Schneide, beispielsweise mit einem Messschieber oder einer Bügelmessschraube, würde diese zerstören. Aus diesem Grund werden PKD- und PCBN-Werkzeuge mit optischen Messgeräten gemessen. Das taktile Messen der Schneiden ist nur möglich, wenn der Anpressdruck des Messtasters angepasst ist.

Grundsätzlich verfügen Werkzeuge mit austauschbaren Schneidplatten mit PKD- und PCBN-Schneiden eine überdurchschnittliche Güte und Verschleißbeständigkeit. Aufgrund dessen werden sie zum Bohren, Reiben, Fräsen und Drehen für beste Oberflächengüten und Toleranzen angewandt. Aus der hohen Verschleißfestigkeit der PKD-/PCBN-Schneidplatten resultieren lange Standzeiten und erlauben effiziente Schnittparameter (auch bei schwer zu zerspanenden Werkstoffen). Hier bietet Gühring für die kostengünstige Nachbestückung ein umfangreiches Portfolio an einstellbaren PKD- und PCBN-Schneidplatten. Damit gelingt die präzise Zerspanung mit PKD-Schneiden von bspw. Aluminium, Aluminiumlegierungen, Kunststoff, Grafit, Messing, Kupfer, sonstige NE-Metalle, sowie die Zerspanung mit PCBN-Schneiden von abrasiven FE-Materialien.

Unsere Produkte lassen sich in Schneidplatten und Wendeschneidplatten unterscheiden. Die Schneidplatten werden in eckenbestückter und leistenbestückter Ausführung nach ISO-Standard hergestellt. Außerdem bieten wir aufgrund der großen Vielfalt an möglichen Varianten auch Sonderausführungen nach Kundenwunsch oder für spezielle Anwendungsfälle. Die symmetrische ISO-Wendeschneidplatte verfügt über zwei oder mehr Schneiden (im Gegensatz zu den Schneidplatten mit nur einer Schneide). Ist eine Wendeschneidplatten-Schneide verschlissen, kann die Platte gedreht und gewendet werden (im Gegensatz zu einschneidigen Schneidplatten, welche nach Standzeitende ausgetauscht werden müssen).
Haben Sie bezüglich dessen Fragen? Unsere Spezialisten für die PKD- und PCBN-Schneidplatten freuen sich auf einen kompetenten Dialog.