CNC-Stahlbearbeitung – wie bearbeitet man das beliebteste Material in der Fertigung?

In der Fertigungsindustrie nimmt Stahl eine der wichtigsten Positionen unter den Konstruktionswerkstoffen ein. Seine Beliebtheit beruht auf seiner guten Verfügbarkeit, seinen vielfältigen mechanischen Eigenschaften und der Möglichkeit, seine Struktur durch Legierungszusätze und Wärmebehandlung zu verändern.

In der Praxis bedeutet dies, dass zwei scheinbar ähnliche Stahlsorten völlig unterschiedlich auf das Fräsen und Drehen reagieren können.

In diesem Artikel betrachten wir die Eigenschaften von Stahl, die sein Verhalten bei der CNC-Bearbeitung von Metallen bestimmen. Wir zeigen, warum die Kenntnis der Materialart keine Formalität ist, sondern die Grundlage für einen gut geplanten technologischen Prozess.

Eigenschaften von Stahl und Anwendungen in der modernen CNC-Bearbeitung

Stahl ist eine Legierung aus Eisen und Kohlenstoff. Er kann Legierungszusätze wie Chrom, Nickel, Molybdän oder Mangan enthalten. Diese Bestandteile ermöglichen es, unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften des Materials zu erzielen.

Die am häufigsten verwendeten Legierungszusätze für Stahl sind:

• Chrom (Cr) – wird in Mengen von 10,5 % bis 30 % zugesetzt. Es ist für die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit verantwortlich. Es ist entscheidend für rostfreie Stähle.
• Nickel (Ni)– kommt in Mengen von 5 % bis 20 % vor. Erhöht die Schlagzähigkeit (Rissbeständigkeit unter dynamischer Belastung) und die Duktilität.
• Molybdän (Mo) – in einem Bereich von 0,2 % bis 5 %. Erhöht die Korrosionsbeständigkeit in sauren Umgebungen und verbessert die Eigenschaften bei hohen Temperaturen.
• Mangan (Mn) – zwischen 0,3 % und 2 %. Verbessert die Härtbarkeit, erhöht die Festigkeit und Verschleißfestigkeit und erleichtert die Entfernung von Schwefel und Sauerstoff beim Schmelzen.

Die häufigsten Stahlsorten:

• Baustahl – zeichnet sich durch hohe Festigkeit und gute Schweißbarkeit aus.
• Rostfreie Stähle – dank ihres Chromgehalts korrosionsbeständig.
• Werkzeugstähle – sehr hart, verschleißfest,

Die Kenntnis der Eigenschaften einer bestimmten Stahlsorte ist für die Planung der CNC-Bearbeitung von entscheidender Bedeutung. Von ihnen hängt ab, welche Werkzeuge, Parameter und Kühlmittel verwendet werden sollten.

Stahlsorten und CNC-Bearbeitung – wie beeinflussen sie die Auswahl der technologischen Parameter?

Die Eigenschaften des Materials bestimmen, wie es sich im Kontakt mit dem Werkzeug verhält und welche technologischen Bedingungen für einen stabilen, wiederholbaren Prozess einzuhalten sind.

Niedriglegierte Stähle

Sie zeichnen sich durch gute Plastizität und leichte Bearbeitbarkeit aus, haben jedoch eine geringere Festigkeit. Sie können mit höheren Vorschüben und geringerem Risiko einer Werkzeugbeschädigung bearbeitet werden.

Hochkohlenstoffstähle

Sie sind wesentlich härter und verschleißfester, aber schwieriger zu bearbeiten. Sie erfordern eine scharfe Werkzeuggeometrie und eine Verringerung der Schnittgeschwindigkeit, um Überhitzung und Vibrationen zu vermeiden.

Legierte Stähle (z.B.mitChrom-, Nickel- oder Molybdänzusatz)

Sie zeichnen sich durch erhöhte Festigkeit, Korrosions- oder Verschleißbeständigkeit aus. Sie erfordern eine individuelle technologische Herangehensweise – sowohl bei der Auswahl des Kühlmittels als auch bei der Schnittstrategie.

Rostfreie Stähle

Schwierig zu bearbeiten aufgrund ihrer Neigung zur Bildung von Aufbauschicht an der Schneide. Der hohe Chrom- und Nickelgehalt erhöht die Korrosionsbeständigkeit, verschlechtert aber gleichzeitig die Zerspanbarkeit. Sehr scharfe Werkzeuge und intensive Kühlung sind erforderlich.

Werkzeugstähle

Durch Wärmebehandlung erreichen sie eine hohe Härte. Sie erfordern den Einsatz von Werkzeugen mit hoher Verschleißfestigkeit. Der Zusatz von Molybdän und Vanadium verbessert die Überhitzungs- und Verschleißfestigkeit bei intensiver Zerspanung.

Werkzeuge und Maschinen für die CNC-Bearbeitung von Stahl

In der modernen CNC-Bearbeitung von Stahl kommt eine breite Palette von Spezialwerkzeugen und -maschinen zum Einsatz, die auf die Art des zu bearbeitenden Materials und die Bearbeitungsmethode abgestimmt sind:

• Hartmetallfräser – werden am häufigsten für Baustahl und legierte Stähle verwendet. TiAlN- oder AlCrN-Beschichtungen erhöhen die Verschleißfestigkeit und die Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, was sich insbesondere bei langen Fräszyklen bewährt.
• PVD-beschichtete Fräser – werden für die Bearbeitung von rostfreien Stählen verwendet. Dank ihres niedrigen Reibungskoeffizienten und ihrer hohen Härte ermöglichen sie ein effektives Zerspanen von schwer zerspanbaren Werkstoffen.
• Drehplatten – erhältlich in Versionen, die für bestimmte Stahlsorten optimiert sind: rostfreier Stahl (Kennzeichnung M), Baustahl (P) und gehärteter Stahl (H). Die Versionen für rostfreien Stahl haben scharfe Kanten und spezielle Spanbrecher.
• Bohrer mit Innenkühlung – unverzichtbar beim Bohren von rostfreiem und gehärtetem Stahl, wo eine effektive Kühlung und Spanabfuhr direkten Einfluss auf die Qualität der Bohrung und die Standzeit des Werkzeugs haben.
• Drehmeißel mit positiver Geometrie – werden in CNC-Drehmaschinen eingesetzt, insbesondere bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl. Sie sorgen für einen reibungslosen Schnitt und minimieren das Risiko von Materialaufbauten.

Es ist wichtig, die Bearbeitungsparameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schnitttiefe an die Eigenschaften des Materials anzupassen.

Typische Fehler bei der CNC-Bearbeitung von Stahl und Möglichkeiten zu ihrer Behebung

Stahl in einer Bearbeitungsumgebung erfordert eine ständige Kontrolle der Parameter und die Anpassung der Werkzeuge an die Art des Materials. Zu den häufigsten Problemen gehören:

• Zu aggressive Schnittparameter – führen zu schnellem Verschleiß der Werkzeuge und zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität.
• Unzureichende Kühlung – führt zu Überhitzung der Schneide und thermischen Verformungen. Die Lösung besteht in der Verwendung eines Bohrers mit Innenkühlung und eines hochwirksamen Kühlmittels.
• Falsche Befestigung des Werkstücks – kann zu Vibrationen und Verschiebungen führen, was die Maßgenauigkeit beeinträchtigt. Es empfiehlt sich, hydraulische Schraubstöcke oder spezielle Spannvorrichtungen mit Spannungsausgleich zu verwenden und die Einstellung der Bezugspunkte (Bearbeitungsstartpunkte) an der Fräsmaschine zu überprüfen.

Um das Fehlerrisiko zu minimieren, sollten Testläufe durchgeführt, eine auf die Stahlsorte abgestimmte Kühlung verwendet und der Prozess mit Schwingungs- und Temperatursensoren überwacht werden.

Zusammenfassung – Was Sie über die CNC-Bearbeitung von Stahl wissen sollten

Die CNC-Bearbeitung von Stahl ist ein komplexer, aber grundlegender Prozess in der modernen industriellen Fertigung. Um eine hohe Qualität und Wiederholgenauigkeit der Teile zu erzielen, ist es notwendig, die Eigenschaften der jeweiligen Stahlsorte zu verstehen und die entsprechenden Werkzeuge, Zerspanungsstrategien und Arbeitsparameter der Werkzeugmaschine anzupassen.

Von entscheidender Bedeutung sind hier die präzise Auswahl der Werkzeuge (Fräser, Wendeschneidplatten, Bohrer), eine effektive Kühlung und die Steifigkeit der CNC-Maschinen. Das Vermeiden typischer Fehler wie Überhitzung der Werkzeuge, schlechte Befestigung oder zu aggressive Schnitte führt zu einer längeren Lebensdauer der Werkzeuge und einer Optimierung des gesamten Prozesses.

Der richtige Ansatz für die Stahlbearbeitung ist nicht nur eine Frage der Technik, sondern auch der Effizienz, Qualität und Zuverlässigkeit.