CNC-Bearbeitungswerkzeuge werden primär anhand dreier Kernkriterien kategorisiert: Bearbeitungsmethode, Werkzeugmaterial und Konstruktion. Jede Kategorie weist spezifische Vorteile, Einschränkungen und Anwendungsbereiche auf, wie nachfolgend detailliert beschrieben:
Klassifizierung nach Bearbeitungsmethode
Das Bearbeitungsverfahren bestimmt die Kinematik des Zerspanungsprozesses. Bei der CNC-Bearbeitung hängt die Werkzeugwahl davon ab, ob das Material durch Rotationsfräsen, axiales Durchdringen oder stationäres Drehen abgetragen wird. Die Wahl der richtigen Geometrie gewährleistet sowohl Maßgenauigkeit als auch Oberflächengüte.
1. Fräser
Gängige Fräsertypen sind Schaftfräser, Kugelkopffräser, Planfräser, Vierkantfräser, Fasenfräser und T-Nutfräser. Ihr Hauptvorteil liegt in ihrer Vielseitigkeit, die eine breite Palette von Bearbeitungen wie Planfräsen, Konturfräsen, Taschenfräsen und Fasen mit einfachen Aufspannungen und hoher Anpassungsfähigkeit ermöglicht. Kugelkopffräser sind jedoch im Vergleich zu Schaftfräsern weniger effizient beim Materialabtrag, und Fräser mit kleinem Durchmesser weisen oft eine unzureichende Steifigkeit auf, was zu Vibrationen oder Ausbrüchen an der Schneide führen kann.
2. Bohrer
Zu den wichtigsten Bohrertypen gehören Spiralbohrer, Zentrierbohrer, Tieflochbohrer, Kernbohrer und Senker. Diese Werkzeuge zeichnen sich durch außergewöhnliche Bohrleistung und Positioniergenauigkeit aus. Insbesondere Tieflochbohrer können Bohrdurchmesserverhältnisse von über 10:1 bewältigen und bieten dabei eine hervorragende Spanabfuhr. Allerdings erfordern sie hohe Präzision beim Vorbohren oder Zentrieren; bei hohen Drehzahlen kann eine unzureichende Spanabfuhr leicht zum Werkzeugbruch führen.
3. Langweilige Werkzeuge
Diese Kategorie umfasst Schrupp-, Fein- und mikrojustierbare Bohrwerkzeuge. Ihre Stärke liegt in der überragenden Maßgenauigkeit und Oberflächengüte, wodurch Koaxialitäts- und Rundheitsfehler effektiv korrigiert werden. Mikrojustierbare Ausführungen ermöglichen Präzision im Mikrometerbereich. Zu den Nachteilen zählen geringere Zerspanungsleistungen im Vergleich zum Bohren, hohe Anforderungen an die Koaxialität von Spindel und Werkzeug sowie zeitaufwändige Justierprozesse.
4. Drehwerkzeuge
- Speziell für CNC-Drehmaschinen
Gängige Werkzeugtypen sind Außendrehwerkzeuge, Innendrehstangen, Abstech- und Einstichwerkzeuge, Gewindewerkzeuge und Formwerkzeuge. Diese sind hochspezialisiert für effizientes Außen- und Innendrehen, Gewindeschneiden und Abstechen. Formwerkzeuge ermöglichen die Bearbeitung komplexer Konturen in einem Arbeitsgang. Allerdings sind sie weniger vielseitig, da jedes Werkzeug in der Regel für einen bestimmten Prozess eingesetzt wird. Gewindewerkzeuge reagieren zudem empfindlich auf Änderungen der Schnittparameter; falsche Einstellungen können zu fehlerhaften Gewinden oder Gewindeschäden führen.
5. Wasserhähne
- Speziell zum Thema Gewindeschneiden
Gewindebohrer werden hauptsächlich in Maschinengewindebohrer, Spiralgewindebohrer und Form- bzw. Extrusionsgewindebohrer unterteilt. Ihr Vorteil liegt in der Möglichkeit, Innengewinde direkt und in einem einfachen Verfahren zu bearbeiten. Formgewindebohrer eignen sich besonders für die spanlose Bearbeitung, was zu einer höheren Gewindefestigkeit führt. Zu den Nachteilen zählen die Schwierigkeit der Späneabfuhr in Sacklöchern und die Gefahr des Gewindebohrerbruchs durch zu hohes Drehmoment beim Gewindeschneiden mit hoher Geschwindigkeit.
Klassifizierung nach Werkzeugmaterial
Die chemischen und physikalischen Eigenschaften des Werkzeugmaterials bestimmen dessen Beständigkeit gegenüber Hitze und mechanischer Beanspruchung. Ein Ingenieur muss Härte und Zähigkeit gegeneinander abwägen: Härtere Materialien ermöglichen schnellere Schnitte und eine längere Lebensdauer, sind aber oft spröder und neigen bei unsachgemäßer Handhabung zu katastrophalem Versagen.
1. Schnellarbeitsstahl (HSS)
HSS zeichnet sich durch hervorragende Zähigkeit und Schlagfestigkeit aus. Dank seiner guten Schleifbarkeit lässt es sich kostengünstig in komplexe Geometrien formen. Zu den Nachteilen zählen die relativ geringe Härte (HRC 62–65) und die schwache Hitzebeständigkeit, welche die Schnittgeschwindigkeit und die Gesamteffizienz der Produktion einschränken. Es eignet sich am besten für die Feinbearbeitung bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, die Herstellung von Sonderwerkzeugen und das manuelle Nachschleifen von Werkzeugen.
2. Hartmetall
Hartmetallwerkzeuge zeichnen sich durch hohe Härte (HRC 89–93) und gute thermische Stabilität (Temperaturbeständigkeit bis 800–1000 °C) aus und ermöglichen hohe Schnittgeschwindigkeiten sowie lange Standzeiten bei der Bearbeitung verschiedenster Werkstoffe, darunter Gusseisen, Stahl und Nichteisenmetalle. Ihr Hauptnachteil liegt in der geringeren Sprödigkeit und Schlagfestigkeit im Vergleich zu HSS, bei gleichzeitig höheren Kosten. Hartmetall ist der Industriestandard für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, Vorschlichten und Schlichten in der Serienfertigung.
3. Keramikwerkzeuge
Diese Werkzeuge zeichnen sich durch extreme Härte (HRA 92–95) und außergewöhnliche Hitzebeständigkeit (bis zu 1200–1400 °C) aus. Sie sind chemisch stabil und weisen eine hohe Beständigkeit gegen Aufbauschneiden auf. Aufgrund ihrer hohen Sprödigkeit und geringen Stoßfestigkeit neigen sie jedoch zum Bruch. Sie sind teuer und erfordern eine hohe Steifigkeit der Werkzeugmaschine, wodurch sie sich hauptsächlich für die Endbearbeitung von gehärtetem Stahl und Hartguss eignen.
4. Kubisches Bornitrid (CBN)
CBN ist nach Diamant das härteste Metall und zeichnet sich durch extreme thermische Stabilität (bis zu 1400–1500 °C) sowie hervorragende Verschleißfestigkeit für hochpräzise Bearbeitungen aus. Zu seinen Schwächen zählen die hohe Sprödigkeit, die hohen Kosten und die chemische Affinität zu Nichteisenmetallen, die zu Bindungen führt. Es eignet sich ideal für die hochpräzise Feinbearbeitung von gehärtetem Stahl, verschleißfestem Gusseisen und Superlegierungen.
5. Diamantwerkzeuge (PCD/Einkristall)
Das härteste bekannte Material (HV 10,000) besitzt eine extrem scharfe Schneide. Bei Nichteisenmetallen lässt sich damit eine spiegelglatte Oberfläche (Ra < 0.1 μm) erzielen. Zu den Nachteilen zählen die geringe Hitzebeständigkeit (Verkohlung tritt oberhalb von 700 °C auf), die extreme Sprödigkeit und die hohen Kosten. Entscheidend ist, dass sich Eisenmetalle aufgrund einer chemischen Reaktion nicht bearbeiten lassen. Am besten eignet es sich für die spiegelglatte Oberfläche von Kupfer, Aluminium, Kunststoffen und Holz.
Klassifizierung nach Strukturdesign
Die strukturelle Konfiguration eines Werkzeugs beeinflusst seine Steifigkeit, die langfristigen Wartungskosten und die Betriebsstillstandszeiten. Während einige Konstruktionen höchste Präzision bieten, sind andere auf Wirtschaftlichkeit und schnelle Werkzeugwechsel in automatisierten Produktionslinien optimiert.
1. Solide Werkzeuge
Vollwerkzeuge bieten hervorragende Steifigkeit und hohe Bearbeitungsgenauigkeit bei minimalem Montagefehler (Rundlauf). Der Nachteil besteht darin, dass bei Beschädigung das gesamte Werkzeug ersetzt werden muss, was zu höheren Betriebskosten führt und die Wiederverwendbarkeit des Schafts unmöglich macht. Sie werden typischerweise für Werkzeuge mit kleinem Durchmesser und für hochpräzise Oberflächenbearbeitung eingesetzt.
2. Löt-/Schweißwerkzeuge
Diese Werkzeuge vereinen die Robustheit eines HSS-Schafts mit der Verschleißfestigkeit einer Hartmetallspitze zu einem moderaten Preis. Allerdings können Schweißspannungen zu Rissen in der Spitze führen, und da die Spitze nicht einzeln ausgetauscht werden kann, muss das gesamte Werkzeug nach Verschleiß entsorgt werden. Sie eignen sich für allgemeine Schlicht- und Vorschlichtbearbeitungen.
3. Indexierbare Werkzeuge
Diese Werkzeuge verfügen über austauschbare Wendeschneidplatten, die einen schnellen Wechsel ohne Neujustierung der Werkzeugkorrektur ermöglichen. Sobald eine Schneide abgenutzt ist, kann die Wendeschneidplatte auf eine neue Schneide gedreht werden. Dies gewährleistet eine hohe Auslastung und Effizienz in der Serienfertigung. Der Nachteil liegt in der etwas geringeren Montagegenauigkeit im Vergleich zu Vollwerkzeugen und den höheren Anschaffungskosten für den Werkzeughalter. Sie eignen sich ideal für die Serienfertigung, automatisierte Fertigungslinien und die allgemeine Bearbeitung.
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