Seien wir mal ehrlich: Wenn Ihr Fräser beim Bearbeiten von 42CrMo4 oder gehärtetem Werkzeugstahl nach wenigen Minuten den Geist aufgibt, kostet Sie das nicht nur Nerven – es frisst Ihre Marge auf. Die Zerspanung hochfester Stähle mit über 45 HRC Härte oder 1400 N/mm² Zugfestigkeit ist die Königsdisziplin in der Fertigung. Doch mit dem richtigen System aus Werkzeug, Kühlstrategie und optimierten Parametern verwandeln Sie diese Herausforderung in einen Wettbewerbsvorteil.
In diesem Leitfaden zeige ich Ihnen, wie Sie die typischen Probleme wie Werkzeugbruch, Rattermarken und explodierende Werkzeugkosten in den Griff bekommen. Sie erfahren konkret, welche Werkzeuge und Parameter sich in der Praxis bewährt haben und warum die Maschinenstabilität oft wichtiger ist als die neueste Beschichtung.
Hochfeste Stähle sind keine gewöhnlichen Werkstoffe. Vergütungsstähle wie 42CrMo4, hochlegierte Werkzeugstähle oder Maraging-Stähle fordern Ihre Maschine, Ihre Werkzeuge und Ihr Know-how bis an die Grenzen.
Die Probleme beginnen bei der extremen Werkzeugbelastung. Die Kombination aus hoher Härte und geringer Wärmeleitfähigkeit konzentriert die Prozesswärme direkt an der Schneide. Bei hochfesten Stählen wie Maraging-Stahl 1.2709 entstehen Scherspannungen, die in ähnlichen Dimensionen liegen können und zu extremer Belastung der Werkzeugschneide führen. Das ist, als würde permanent ein kleiner Elefant auf Ihrer Werkzeugschneide stehen.
Die hohen Schnittkräfte bringen zudem das gesamte System zum Schwingen. Diese Vibrationen sind der Feind jeder präzisen Bearbeitung. Sie kennen das Ergebnis: Rattermarken auf der Oberfläche, Maßabweichungen und im schlimmsten Fall der plötzliche Werkzeugbruch.
Dazu kommt der Wirtschaftlichkeitsdruck. Während Sie bei Aluminium mit Vorschüben von mehreren Metern pro Minute arbeiten, müssen Sie bei hochfesten Stählen die Schnittgeschwindigkeit oft auf 80-200 m/min drosseln. Die Bearbeitungszeiten explodieren, die Werkzeugkosten auch.
Die Werkzeugauswahl entscheidet über Erfolg oder Misserfolg. Standard-Fräser aus dem Katalog stoßen bei hochfesten Stählen schnell an ihre Grenzen.
Vollhartmetall (VHM) als Basis
Für die meisten Anwendungen bis 55 HRC sind VHM-Fräser aus ultrafeinkörnigem Hartmetall die erste Wahl. Die feinere Kornstruktur erhöht die Zähigkeit und Kantenstabilität deutlich. Achten Sie auf einen hohen Kobaltanteil von 10-12%, der die Bruchfestigkeit verbessert.
Die richtige Beschichtung macht den Unterschied
Moderne PVD-Beschichtungen wie AlCrN oder TiAlSiN sind keine Marketing-Gimmicks, sondern echte Lebensversicherungen für Ihre Werkzeuge. Diese Nanokomposit-Beschichtungen bleiben auch bei Temperaturen über 800°C hart und glatt. Das reduziert Reibung und Aufbauschneidenbildung dramatisch.
Geometrie für hochfeste Stähle
Die Schneidengeometrie ist mindestens genauso wichtig wie das Material. Für hochfeste Stähle bewähren sich:
CBN für die Extreme
Bei Härten über 60 HRC kommen Sie um kubisches Bornitrid (CBN) kaum herum. Ja, ein CBN-Werkzeug kostet schnell das Zehnfache eines VHM-Fräsers. Aber die um Faktor 5-10 höhere Standzeit und die möglichen höheren Schnittgeschwindigkeiten rechnen sich bei Serienfertigung schnell.
Beachten Sie, dass die Vorteile von CBN-Werkzeugen nur auf einer besonders stabilen, vibrationsarmen CNC Maschine voll ausgeschöpft werden können. Andernfalls drohen Werkzeugbruch oder verkürzte Standzeiten.
Die teuersten Werkzeuge nützen nichts, wenn die Parameter nicht stimmen. Hier die wichtigsten Stellschrauben:
Schnittgeschwindigkeit vc – weniger ist oft mehr
Vergessen Sie die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bei hochfesten Stählen. Detaillierte Formeln zur Berechnung optimaler Schnittparameter für verschiedene Stahlsorten zeigen: Bei vergütetem 42CrMo4 liegen Sie mit 120-180 m/min richtig. Bei gehärteten Stählen über 55 HRC reduzieren Sie auf 80-120 m/min.
Vorschub pro Zahn fz – die goldene Mitte finden
Ein zu geringer Vorschub unter 0,05 mm führt zum Schaben statt Schneiden. Die Folge: massive Wärmeentwicklung und Kaltverfestigung. Ein zu hoher Vorschub über 0,2 mm überlastet die Schneide mechanisch. Die Kunst liegt darin, die minimale Spanungsdicke zu überschreiten, ohne die Schneide zu überfordern.
Eingriffsstrategien anpassen
Beim Schruppen hochfester Stähle hat sich die HPC-Strategie (High Performance Cutting) bewährt: moderate Schnittgeschwindigkeit, hoher Vorschub, maximale Schnitttiefe. Das bringt Zeitspanvolumen.
Spezifische Schnittkraft kc – Indikator für Werkzeug- und Maschinenbelastung
Die spezifische Schnittkraft (kc) gibt an, wie hoch die Kräfte sind, die beim Spanen von einem Kubikmillimeter Werkstoff auftreten. Hochfeste Stähle erreichen dabei oft Werte von 2.500 bis über 3.000 N/mm². Diese enormen Kräfte erfordern nicht nur äußerst stabile Werkzeuge, sondern auch Maschinen mit hoher Steifigkeit und Schwingungsdämpfung, um Prozessstabilität zu gewährleisten.
Beim Schlichten wechseln Sie zu HSC (High Speed Cutting): höhere Drehzahl, geringere Zustellung, beste Oberflächen. Trochoidales Fräsen als moderne Bearbeitungsstrategie für anspruchsvolle Werkstoffe kombiniert das Beste aus beiden Welten.
Praxisbeispiel aus der Teilefertigung
Ein Lohnfertiger bearbeitete Hydraulikblöcke aus 42CrMo4. Mit Standard-Parametern lag die Werkzeugstandzeit bei frustrierenden 15 Minuten. Nach Optimierung:
Ergebnis: Standzeit stieg auf über 45 Minuten, Bearbeitungszeit sank um 20%. Die Werkzeugkosten pro Teil halbierten sich.
Die Kühlung ist bei hochfesten Stählen keine Nebensache, sondern erfolgsentscheidend. Die falsche Strategie kann Ihre Werkzeuge schneller zerstören als jeder harte Werkstoff.
Überflutungskühlung – der Klassiker mit Grenzen
Bei zähen Vergütungsstählen unter 50 HRC funktioniert die klassische Überflutungskühlung noch gut. Sie transportiert Späne ab und kühlt die Schneidzone. Aber Vorsicht: Bei der Hartbearbeitung über 55 HRC wird sie zum Problem.
Trockenbearbeitung für gehärtete Stähle
Klingt paradox, funktioniert aber: Bei extrem harten Stählen ist oft gar keine Kühlung die beste Kühlung. Der Grund: Thermoschocks durch den Wechsel zwischen heißer Schneide im Eingriff und kaltem KSS in der Luftschnittphase führen zu Mikrorissen und vorzeitigem Werkzeugversagen.
Innere Kühlmittelzufuhr (IKZ) – der Gamechanger
Wissenschaftliche Analyse verschiedener Kühlstrategien vom Fraunhofer IWU bestätigt: IKZ mit Drücken von 20-80 bar ist bei hochfesten Stählen oft die beste Lösung. Der gezielte Strahl spült Späne sicher aus tiefen Nuten und kühlt die Schneide von innen.
Minimalmengenschmierung (MMS) als Alternative
Bei dünnwandigen Bauteilen oder wenn Trockenbearbeitung nicht möglich ist, bietet MMS einen guten Kompromiss. 10-50 ml/h reichen aus, um Reibung zu reduzieren, ohne Thermoschocks zu verursachen.
Die Wahl der richtigen Kühlstrategie kann die Standzeit verdoppeln. Ein Werkzeugbauer steigerte bei der Bearbeitung von 1.2379 (60 HRC) durch Umstellung von Überflutung auf MMS die Standzeit von 20 auf 55 Minuten pro Werkzeug.
Sie können die besten Werkzeuge und perfekte Parameter haben – ohne eine stabile Maschine verpufft alles. Die enormen Schnittkräfte bei hochfesten Stählen trennen die Spreu vom Weizen.
Masse schlägt Klasse
Eine Faustregel der Zerspanung lautet: Je härter der Werkstoff, desto schwerer sollte die Maschine sein. Die Komplettbearbeitung, insbesondere bei komplexen Geometrien, ermöglichen 5-Achs-Bearbeitungszentren, die durch kürzere, stabilere Werkzeuge sowie eine massive Bauweise mit exzellenter Schwingungsdämpfung Vorteile bieten.
Die Rolle der Maschinensteifigkeit
Maschinen mit 35% mehr Masse und verstärkten Gusskomponenten absorbieren Vibrationen wie ein Schwamm. Das Ergebnis:
Vollausstattung spart bares Geld
Speziell für Lohnfertiger entwickelte CNC-Fräsmaschinen mit hoher Prozesssicherheit sollten bereits ab Werk mit IKZ und High-End-Steuerung ausgestattet sein. Die nachträgliche Aufrüstung kostet schnell 15.000-25.000 Euro extra.
Der wirtschaftliche Hebel
Eine Investition in Maschinenstabilität zahlt sich messbar aus. Bei einem mittelständischen Teilefertiger führte der Wechsel von einer Standard-3-Achs auf eine massive 5-Achs-Maschine zu:
Die erfolgreiche Zerspanung hochfester Stähle ist keine Hexerei – sie erfordert das richtige System. Die wichtigsten Erfolgsfaktoren haben Sie jetzt kennengelernt: angepasste Werkzeuge, optimierte Parameter, durchdachte Kühlstrategien und vor allem eine stabile Maschinenbasis.
Mein Rat: Beginnen Sie mit einer ehrlichen Bestandsaufnahme. Wo liegen Ihre größten Herausforderungen? Sind es die Werkzeugkosten, lange Bearbeitungszeiten oder Qualitätsprobleme? Testen Sie dann gezielt neue Ansätze – ein hochwertiges Werkzeug, angepasste Parameter oder eine andere Kühlstrategie.
Denken Sie daran: Umfassender Service mit 25 Technikern und 65% Direktlösungsquote minimiert Stillstandszeiten und sichert Ihre Investition langfristig ab.
Beginnen Sie jetzt damit, Ihre Prozesse gezielt zu optimieren – Ihre Kunden werden Sie für die höhere Qualität und Prozesssicherheit schätzen und Ihnen anspruchsvollere, margenstärkere Aufträge anvertrauen.
Viel Erfolg und heiße Späne!
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Mein Name ist Michael Helle, begeisterter Maschinenbauer und Inhaber von POS. In unserem Blog gibt es wertvolle Tipps für mittelständische CNC Anwender. Von Lohnfertigung bis Sondermaschinenbau: Für jeden ist etwas dabei – egal, ob Sie auf einer POS oder einem anderen CNC Bearbeitungszentrum arbeiten.
Wir sind POS. CNC Fräsmaschinen Hersteller und Produzent leistungsfähiger Bearbeitungszentren engineered in Germany.
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