Zerspanungswerkzeuge bestimmen wesentlich, wie präzise, wirtschaftlich und prozesssicher ein Bauteil gefertigt werden kann. Ihre Auswahl richtet sich nicht allein nach dem gewünschten Durchmesser oder der Bearbeitungsart. Werkstückwerkstoff, Maschine, Schnittdaten, Kühlung, Aufnahme und Schneidengeometrie müssen als Gesamtsystem betrachtet werden.
Ebenso wichtig ist es, Verschleiß rechtzeitig und richtig zu beurteilen. Stumpfe Schneiden, Ausbrüche oder Aufbauschneiden beeinträchtigen nicht nur die Oberfläche. Sie können auch Maßabweichungen, höhere Schnittkräfte und ungeplante Werkzeugwechsel verursachen. Dieser Überblick zeigt, welche Arten von Zerspanungswerkzeugen es gibt, worauf es bei ihrem Einsatz ankommt und wie sich typische Verschleißbilder erkennen lassen.
Was sind Zerspanungswerkzeuge?
Zerspanungswerkzeuge tragen Werkstoff in Form von Spänen ab. Dabei dringt mindestens eine Schneide in das Werkstück ein. Abhängig vom Verfahren erzeugt entweder das Werkzeug, das Werkstück oder eine Kombination aus beiden die notwendige Schnittbewegung.
In der CNC-Fertigung kommen überwiegend Werkzeuge mit geometrisch bestimmten Schneiden zum Einsatz. Dazu gehören beispielsweise Drehmeißel, Fräser, Bohrer, Reibahlen und Gewindewerkzeuge. Die Geometrie ihrer Schneiden ist eindeutig definiert. Schleifwerkzeuge zählen dagegen zu den Werkzeugen mit geometrisch unbestimmten Schneiden, weil zahlreiche Schleifkörner mit unterschiedlichen Schneidengeometrien am Abtrag beteiligt sind.
Über die Grundlagen hinaus beschreibt der Beitrag Werkzeugtechnik, Verfahren und Auswahlkriterien im Zusammenhang.
Die wichtigsten Arten von Zerspanungswerkzeugen
Drehwerkzeuge
Beim Drehen rotiert in der Regel das Werkstück, während das Werkzeug entlang der programmierten Bahn geführt wird. Je nach Aufgabe unterscheidet man unter anderem Werkzeuge zum Längs- und Plandrehen, Einstechen, Abstechen, Ausdrehen und Gewindedrehen.
Viele Drehwerkzeuge bestehen aus einem Halter mit austauschbarer Wendeschneidplatte. Für kleine Konturen, besondere Profile oder sehr enge Toleranzen können auch Vollhartmetall- und Sonderwerkzeuge sinnvoll sein. Entscheidend sind die Plattenform, der Eckenradius, die Spanleitstufe sowie ein zum Werkstoff passender Schneidstoff.
Fräswerkzeuge
Beim Fräsen führt das Werkzeug die rotierende Hauptbewegung aus. Umfangs- und Stirnschneiden können je nach Werkzeug gleichzeitig am Materialabtrag beteiligt sein. Typische Ausführungen sind:
- Schaft- und Walzenstirnfräser für allgemeine Fräsaufgaben
- Planfräser zur Bearbeitung größerer ebener Flächen
- Nutfräser für Nuten, Taschen und Einstiche
- Kugel- und Torusfräser für Freiformflächen und den Formenbau
- Fasen-, Profil- und Formfräser für definierte Konturen
- Fräsköpfe mit Wendeschneidplatten für leistungsfähige Bearbeitungen
Die Zahl der Schneiden, der Drallwinkel, die Spanräume und die Schneidengeometrie müssen zur Eingriffsbreite, Schnitttiefe und Spanbildung passen. Eine vertiefende Entscheidungshilfe bietet der Beitrag Fräswerkzeuge richtig auswählen.
Bohr-, Senk- und Reibwerkzeuge
Spiralbohrer und andere Bohrwerkzeuge erzeugen Bohrungen aus dem vollen Material. Senker bearbeiten vorhandene Bohrungen, etwa um Schraubenköpfe aufzunehmen, Kanten zu entgraten oder einen definierten Sitz herzustellen. Reibahlen dienen der Feinbearbeitung vorgefertigter Bohrungen und werden eingesetzt, wenn Durchmesser, Form und Oberfläche genauer abgestimmt werden müssen.
Bei diesen Werkzeugen sind Rundlauf, Fluchtung und Spanabfuhr besonders wichtig. In tiefen Bohrungen können unzureichend abgeführte Späne die Schneiden oder die Bohrungswand beschädigen. Auch eine ungeeignete Kühlschmierstoffzufuhr kann den Prozess beeinträchtigen.
Gewindewerkzeuge
Innen- und Außengewinde lassen sich unter anderem durch Gewindebohren, Gewindeformen, Gewindefräsen oder Gewindedrehen herstellen. Welches Verfahren geeignet ist, hängt vom Werkstoff, der Gewindegröße, der Bohrungssituation und den Anforderungen an den Prozess ab.
Gewindeformer erzeugen kein Spanmaterial, sondern formen den Werkstoff um. Sie setzen daher einen ausreichend duktilen Werkstoff und eine passend vorbereitete Kernbohrung voraus. Gewindefräser sind flexibel einsetzbar und können bei geeigneter Auslegung unterschiedliche Gewindedurchmesser bearbeiten.
Kombinations- und Sonderwerkzeuge
Kombinationswerkzeuge führen mehrere Bearbeitungsschritte in einem Werkzeug zusammen, beispielsweise Bohren, Senken und Fasen. Das kann Werkzeugwechsel vermeiden und die Lagebeziehung bearbeiteter Flächen verbessern. Voraussetzung ist jedoch eine sorgfältige Abstimmung auf Bauteil, Maschine und Bearbeitungsfolge.
Wenn Standardlösungen die benötigte Kontur, Zugänglichkeit oder Prozessfolge nicht abdecken, kommen individuell ausgelegte Sonderwerkzeuge nach Maß infrage.
Schneidstoffe und Beschichtungen richtig einordnen
Der Schneidstoff muss mechanische Belastungen und die beim Zerspanen entstehende Wärme aufnehmen können. Gleichzeitig benötigt die Schneide ausreichend Zähigkeit, um Ausbrüche zu vermeiden. Häufig verwendete Schneidstoffe sind:
- Schnellarbeitsstahl (HSS): vergleichsweise zäh und gut für Werkzeuge mit komplexen Geometrien geeignet.
- Hartmetall: in der CNC-Zerspanung weit verbreitet und für viele Werkstoffe sowie Schnittbedingungen verfügbar.
- Schneidkeramik: warmhart, aber empfindlicher gegenüber bestimmten mechanischen und thermischen Wechselbelastungen.
- CBN: insbesondere für ausgewählte harte Eisenwerkstoffe und anspruchsvolle Fertigbearbeitungen relevant.
- PKD: unter anderem für abrasive Nichteisenwerkstoffe, Verbundwerkstoffe und bestimmte Kunststoffe geeignet.
PVD- und CVD-Schichten können Reibung, Wärmeübergang und Verschleißverhalten beeinflussen. Eine Beschichtung muss jedoch zum Grundwerkstoff, zum zu bearbeitenden Material und zur Anwendung passen. Sie ersetzt weder eine korrekte Schneidengeometrie noch passende Schnittdaten. Vor einer Neubeschichtung muss die Werkzeugbearbeitung deshalb einen tragfähigen, geometrisch einwandfreien Zustand herstellen. Informationen dazu bietet der Beschichtungsservice für Werkzeuge.
Sieben Kriterien für die Werkzeugauswahl
- Bearbeitungsaufgabe: Schruppen, Schlichten, Bohren, Profilieren oder Gewindeherstellung stellen unterschiedliche Anforderungen.
- Werkstückwerkstoff: Härte, Festigkeit, Zähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und abrasives Verhalten beeinflussen Schneidstoff und Geometrie.
- Maschine: Drehzahlbereich, Leistung, Steifigkeit und Zustand der Spindel begrenzen den möglichen Einsatz.
- Werkzeugaufnahme: Rundlauf, Spannkraft und Auskraglänge wirken direkt auf Laufruhe und Schneidenbelastung.
- Bauteilgeometrie: Störkonturen, tiefe Kavitäten oder dünnwandige Bereiche können besondere Werkzeugformen erfordern.
- Kühlschmierstoff und Spanabfuhr: Zuführung, Druck und Medium müssen zum Werkzeugkonzept passen.
- Qualitätsziel: Toleranz, Formgenauigkeit, Gratbildung und gewünschte Oberfläche bestimmen die notwendige Werkzeugauslegung.
Das teuerste Werkzeug ist nicht automatisch die wirtschaftlichste Lösung. Relevant sind stabile Bearbeitungsergebnisse, nutzbare Standzeit, Rüstaufwand, Wiederaufbereitbarkeit und das Risiko ungeplanter Unterbrechungen.
Typische Verschleißbilder erkennen
Freiflächenverschleiß
Eine Verschleißmarke an der Freifläche entsteht durch den Kontakt zwischen Schneide und bearbeiteter Werkstückoberfläche. Ein gleichmäßiger Verlauf ist grundsätzlich erwartbar. Kritisch wird er, wenn Maßhaltigkeit und Oberfläche leiden oder die Schnittkräfte deutlich steigen.
Kolkverschleiß
Kolkverschleiß zeigt sich als Vertiefung auf der Spanfläche. Er entsteht dort, wo der heiße Span über die Schneide abläuft. Ein fortschreitender Kolk kann die Schneidkante schwächen. Mögliche Einflussgrößen sind Schnittgeschwindigkeit, Werkstoffpaarung, Schneidstoff und Beschichtung.
Aufbauschneiden
Bei einer Aufbauschneide haftet Werkstückmaterial an der Schneidkante. Dadurch verändert sich die wirksame Geometrie. Mögliche Folgen sind raue Oberflächen, Maßschwankungen und ausbrechende Schneidenteile. Schnittgeschwindigkeit, Spanwinkel, Schneidkantenzustand und Schmierung sollten überprüft werden.
Schneidenausbrüche
Kleine oder größere Ausbrüche deuten häufig auf wechselnde Belastungen, Schwingungen, einen unterbrochenen Schnitt oder eine zu spröde Werkzeugauslegung hin. Auch Rundlauffehler können einzelne Schneiden überlasten. Der bloße Wechsel auf einen härteren Schneidstoff löst das Problem daher nicht zwangsläufig.
Thermorisse und plastische Verformung
Thermorisse können bei wiederholtem Aufheizen und Abkühlen auftreten. Plastische Verformung entsteht, wenn die Schneide unter hoher Temperatur und Belastung ihre Form nicht ausreichend hält. In beiden Fällen müssen Schnittdaten, Kühlstrategie, Schneidstoff und Eingriffssituation gemeinsam betrachtet werden.
Verschleiß oder Prozessfehler?
Eine schlechte Oberfläche ist nicht automatisch der Beweis für ein stumpfes Werkzeug. Vor einem Werkzeugwechsel sollten auch Rundlauf, Aufnahme, Auskraglänge, Werkstückspannung, Maschinenzustand, Kühlschmierstoffzufuhr und NC-Strategie kontrolliert werden. Rattern kann beispielsweise durch mangelnde Systemsteifigkeit entstehen, während Gratbildung sowohl auf Verschleiß als auch auf eine ungeeignete Geometrie hinweisen kann.
Hilfreich ist eine dokumentierte Beurteilung nach festen Kriterien: Standmenge, Verschleißbild, Maßentwicklung, Oberflächenzustand und gegebenenfalls Spindellast. So lässt sich ein Werkzeug wechseln, bevor Prozessgrenzen überschritten werden, ohne nutzbare Standzeit unnötig aufzugeben.
Wann lohnt sich eine Wiederaufbereitung?
Viele Vollhartmetallwerkzeuge und bestimmte andere Werkzeugausführungen lassen sich nachschärfen, sofern Grundkörper und Funktionsbereiche nicht unzulässig beschädigt sind. Beim Nachschleifen müssen Schneidengeometrie, Teilung, Freiwinkel und gegebenenfalls Stirnanschliff fachgerecht wiederhergestellt werden. Anschließend kann abhängig von Werkzeug und Anwendung eine Ent- und Neubeschichtung sinnvoll sein.
Ob eine Instandsetzung wirtschaftlich ist, hängt unter anderem von Werkzeugwert, Restzustand, erforderlichem Schleifaufwand und verbleibenden Abmessungen ab. Bei Rissen, starken Ausbrüchen oder beschädigtem Grundkörper kann ein Austausch notwendig sein. Eine professionelle CNC-Werkzeugschleiferei beurteilt deshalb zunächst die technische Wiederaufbereitbarkeit.
FAQ zu Zerspanungswerkzeugen
Woran erkennt man ein stumpfes Zerspanungswerkzeug?
Mögliche Anzeichen sind zunehmende Schnittkräfte, Maßabweichungen, stärkere Gratbildung, eine schlechtere Oberfläche, ungewöhnliche Geräusche oder sichtbarer Freiflächenverschleiß. Da diese Symptome auch andere Ursachen haben können, sollte das gesamte Bearbeitungssystem geprüft werden.
Was ist der Unterschied zwischen Vollhartmetall und Wendeschneidplatten?
Bei einem Vollhartmetallwerkzeug bestehen Schaft und Schneidenbereich aus Hartmetall. Bei einem Wendeschneidplattenwerkzeug sitzt eine austauschbare Schneidplatte auf einem Werkzeugträger. Welche Bauart vorteilhaft ist, hängt von Abmessung, Geometrie und Bearbeitungsaufgabe ab.
Kann jedes Werkzeug nachgeschärft werden?
Nein. Bauart, Verschleißzustand, verbleibende Abmessungen und mögliche Schäden am Grundkörper bestimmen, ob eine Wiederaufbereitung technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.
Wann ist ein Sonderwerkzeug sinnvoll?
Ein Sonderwerkzeug kann sinnvoll sein, wenn mehrere Arbeitsschritte kombiniert, besondere Konturen erzeugt, schwer zugängliche Bereiche bearbeitet oder wiederkehrende Prozesse gezielt stabilisiert werden sollen.
Fazit
Zerspanungswerkzeuge müssen immer im Zusammenspiel mit Werkstoff, Maschine, Aufnahme, Schnittdaten und Kühlschmierstrategie ausgewählt werden. Wer Verschleißbilder systematisch beurteilt, kann Ursachen gezielter beheben und geeignete Wechselzeitpunkte festlegen. Fachgerechtes Nachschärfen, eine anwendungsgerechte Beschichtung oder eine angepasste Werkzeugkonstruktion schaffen zusätzliche Möglichkeiten, bestehende Prozesse technisch und wirtschaftlich zu optimieren.