Zum Inhalt wechseln 
Schneidwerkzeuge für die Bearbeitung von Nockenwellen: Leitfaden zur Werkzeugauswahl
Die Wahl der richtigen Werkzeuge für die Bearbeitung von Nockenwellen ist der Unterschied zwischen einem Hochleistungsmotor und einem Haufen Schrott. Sie müssen ein Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Präzision finden, denn Nockenwellen werden vom Weichdrehen bis zum Hartschleifen bearbeitet. Dieser Leitfaden zeigt Ihnen, wie Sie Werkzeuge auswählen, die Ihre Kosten pro Teil senken.
Übersicht über Nockenwellenbearbeitungsstufen und Werkzeuge
Die Herstellung einer Nockenwelle ist ein mehrstufiger Prozess. Sie beginnt mit einem rohen Gussteil oder Schmiedestück und endet mit einer hochglanzgehärteten Oberfläche.
Schruppdrehen und Zapfenbearbeitung
Zunächst müssen Sie große Mengen an Material von den Lagerzapfen entfernen. Der Zapfen ist der Teil der Welle, der in den Lagern des Motorblocks verbleibt. Normalerweise verwenden Sie hochbelastbare Hartmetalleinsätze hier. Das Ziel ist eine hohe Zerspanungsleistung, ohne dass das Werkzeug bricht. Da das Material in dieser Phase oft uneben ist, müssen Ihre Werkzeuge mit unterbrochenen Schnitten zurechtkommen.
Schrupp- und Semi-Schlichtfräsen von Nockenwellen
Als nächstes konzentrieren Sie sich auf die Lappen. Das sind die eiförmigen Teile, die die Ventile öffnen. Das Fräsen dieser Teile ist schwierig, weil der Werkzeugweg nicht einfach ein Kreis ist. Sie benötigen Fräser, die den wechselnden Winkeln der Nocken gewachsen sind. Die meisten Werkstätten verwenden Wendeschneidplattenfräser um das Verfahren schnell und die Kosten niedrig zu halten.
Nachhärtende Fertigbearbeitung und Schleifen
Nach dem Schruppen wird die Nockenwelle in der Regel einer Wärmebehandlung unterzogen, um die Oberflächenhärte und Verschleißfestigkeit zu verbessern. Nach der Wärmebehandlung müssen die gehärteten Nockenwellenoberflächen häufig geschliffen oder hartgedreht werden. Für das Hartdrehen oder die Hartfeinbearbeitung werden aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit und Verschleißfestigkeit häufig CBN-Wendeplatten bevorzugt. In diesem Stadium besteht das Ziel darin, die erforderliche Toleranz, Oberflächengüte und Profilgenauigkeit für eine stabile Motorleistung zu erreichen.
Hartmetalleinsätze und Fräswerkzeuge
Hartmetall ist das wichtigste Werkzeug in der Nockenwellenindustrie. Es ist stark genug für die Anfangsphase und billig genug für die Großserienproduktion.
Wozu Hartmetalleinsätze verwendet werden
Sie verwenden Hartmetall für das Drehen von Zapfen und das Schruppen der Lappen. Diese Werkzeuge eignen sich gut zum Entfernen der Außenhaut eines Gussteils. Sie wollen ein Werkzeug, das trotz der abrasiven Eigenschaften von Gusseisen oder Schmiedestahl scharf bleibt.
Einsatzsorten und Beschichtungen
Das Material Ihrer Nockenwelle ändert alles.
Für Gusseisen
Sie sollten wählen Hartmetall der Klasse K. Diese sind sehr hart und widerstehen dem Verschleiß, der durch die Flocken im Eisen verursacht wird.
Für geschmiedeten Stahl
Sie brauchen Hartmetall der Klasse P. Diese haben eine bessere Zähigkeit, um die strähnigen Späne zu verarbeiten, die Stahl produziert.
Beschichtungen
Achten Sie auf AlTiN-Beschichtungen. Diese Beschichtung wirkt wie ein Hitzeschild. Sie ermöglicht es Ihnen, die Maschine schneller laufen zu lassen, ohne das Werkzeug zu verbrennen.
Wendeschneidplatten-Fräser und Vollhartmetall-Schaftfräser
Für das Fräsen der Lappen gibt es im Wesentlichen zwei Möglichkeiten. Wendeplattenfräser kleine Einsätze verwenden, die Sie umdrehen können, wenn sie stumpf werden. Dies ist die gängigste Lösung für große Fabriken, weil sie Geld spart. Für sehr kleine oder komplexe Nockenwellen sollten Sie jedoch Vollhartmetall-Schaftfräser. Diese bieten eine bessere Präzision, sind aber teurer im Austausch.
Kantenvorbereitung, Chipbreaker und Einsatzform
Die Schneidenvorbereitung ist die Art und Weise, wie die Schneide abgerundet wird. Eine scharfe Schneide ist gut für weiche Materialien, bricht aber leicht. Eine abgerundete Schneide ist zum Schruppen besser geeignet. Sie brauchen auch einen guten Spanbrecher. Wenn die Späne nicht brechen, wickeln sie sich um die Nockenwelle und zerkratzen die Oberfläche. Was die Form betrifft, so ist die CNMG-Form sehr beliebt, weil sie stark ist und vier Schneidkanten hat.
CBN-Schneidplatten für die Hartfeinbearbeitung
Nach dem Härten sind herkömmliche Hartmetall-Wendeschneidplatten in der Regel nicht die erste Wahl für die Fertigbearbeitung, insbesondere wenn die Oberflächenhärte über 45-50 HRC liegt. Unter diesen Bedingungen werden häufig CBN-Wendeplatten zum Hartdrehen oder Hartschlichten verwendet, da sie eine bessere Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität auf gehärteten Oberflächen bieten.
Warum gehärtete Nockenflügel CBN benötigen
Gehärtete Oberflächen haben oft eine Rockwell-Härte von 50 bis 65 HRC. In diesem Härtebereich können herkömmliche Hartmetalleinsätze schnell verschleißen, leicht ausbrechen oder keine stabile Oberflächengüte und Maßhaltigkeit aufweisen. CBN ist nach Diamant das zweithärteste Material. Es bleibt auch bei den sehr hohen Temperaturen, die bei der Fertigbearbeitung auftreten, stabil.
Massive CBN-Schneidplatten vs. bestückte CBN-Schneidplatten
Sie werden zwei Arten von CBN-Werkzeugen sehen.
Massive CBN-Wendeschneidplatten (Solid CBN)
Der gesamte Einsatz besteht aus CBN. Diese sind sehr teuer, aber man kann sie auf beiden Seiten verwenden und sie sind sehr hitzebeständig.
Nur an der Ecke einer Hartmetallplatte ist ein kleines Stück CBN aufgelötet. Diese sind viel billiger und eignen sich gut für leichte Schlichtschnitte. Hier brauchen Sie nur eine Schneide.
Auswahl der CBN-Sorte
Die Auswahl der Sorte hängt von dem Bindemittel ab, das die CBN-Kristalle zusammenhält.
Hoher CBN-Gehalt
Am besten geeignet für unterbrochene Schnitte, insbesondere wenn Sie feststellen, dass das Werkzeug wiederholt auf die Oberfläche trifft.
Niedriger CBN-Gehalt
Am besten für die kontinuierliche Nachbearbeitung der Zapfen, um eine glatte, glänzende Oberfläche zu erhalten.
Hartdrehen vs. Hartfräsen mit CBN
CBN kann auf zwei Arten verwendet werden. Hartdrehen ist wie normales Drehen, aber an einem gehärteten Teil. Es ist oft schneller als Schleifen. Bei einigen Anwendungen kann das Hartfräsen oder die Hartbearbeitung einen Teil des Schleifaufwands reduzieren, aber das Schleifen ist immer noch weit verbreitet, wenn eine sehr hohe Profilgenauigkeit und Oberflächengüte erforderlich ist.
Wie man das richtige Schneidwerkzeug auswählt
Sie müssen sich bei der Auswahl Ihrer Werkzeuge an der Realität in Ihrer Werkstatt orientieren, nicht nur an einem Katalog.
Material und Härte des Werkstücks
Prüfen Sie zunächst Ihr Material. Handelt es sich um gehärtetes Gusseisen? Oder handelt es sich um eine nitrierte Stahllegierung? Schalenhartguss ist sehr abrasiv, daher benötigen Sie ein Werkzeug mit hoher Verschleißfestigkeit. Wenn das Teil bereits gehärtet ist, müssen Sie CBN verwenden.
Bearbeitungsphase
Verwenden Sie kein Schlichtwerkzeug für eine Schrupparbeit. Schruppwerkzeuge benötigen eine starke Makrogeometrie. Schlichtwerkzeuge benötigen eine Mikropräzision, um enge Toleranzen einzuhalten.
Produktionsvolumen und Kosten pro Kante
Wenn Sie 100.000 Nockenwellen pro Jahr herstellen, ist der Preis eines Einsatzes weniger wichtig als seine Lebensdauer. Sie wollen ein Werkzeug, das eine ganze Schicht lang laufen kann, ohne dass es ausgewechselt werden muss. Das reduziert die Ausfallzeiten.
Maschinensteifigkeit und Kühlmittel
CBN-Werkzeuge hassen Vibrationen. Wenn Ihre Maschine alt ist, wird das CBN-Werkzeug ausbrechen. Sie müssen sich auch für ein Kühlmittel entscheiden. Einige CBN-Werkzeuge arbeiten besser trocken, weil die Wärme den Schneidprozess unterstützt. Beim Schruppen mit Hartmetall ist ein Hochdruck-Kühlmittel jedoch in der Regel besser geeignet, um die Späne wegzuspülen.
Quick-Reference-Tool-Auswahlmatrix
| Stufe der Nockenwellenbearbeitung | Materieller Zustand | Empfohlenes Schneidwerkzeug | Hauptzweck/Vorteil |
|---|---|---|---|
| Grobes Drehen des Journals | Rohguss / Schmieden / weicher Stahl | Hartmetall-Einsätze | Hohes Zerspanungsvolumen, gute Kantenfestigkeit, geeignet zum Schruppen von instabilen Oberflächen |
| Zeitschrift Semi-Finishing | Weiches oder vorgehärtetes Material | Beschichtete Hartmetalleinsätze | Bessere Kontrolle der Abmessungen und verbesserte Oberflächenkonsistenz vor der Wärmebehandlung |
| Schruppfräsen von Nockenwellen | Weiches / rohes Material | Wendeplattenfräser aus Hartmetall | Schneller und kosteneffizienter Materialabtrag für die Lappenprofilierung |
| Halbschlichtfräsen von Nockenwellen | Weiches oder vorgehärtetes Material | Hartmetallfräser / Vollhartmetall-Schaftfräser | Stabilere Profilkontrolle und bessere Vorbereitung für die Wärmebehandlung oder Endbearbeitung |
| Hartes Drehen von Journalen | Gehärtete Oberfläche | Bestückte CBN-Wendeplatten | Gute Wahl für leichte Endbearbeitung, stabiles Oberflächenfinish und bessere Kosten pro Kante |
| Hartbearbeitung von Nockenflügeln | Gehärtete Oberfläche | Bestückte CBN-Wendeplatten / ausgewählte CBN-Sorte | Geeignet für die Endbearbeitung gehärteter Oberflächen, wenn Verschleißfestigkeit und Oberflächenqualität erforderlich sind |
| Schwer unterbrochene Hartbearbeitung | Gehärtetes Material mit unterbrochenem Schnitt | Massive CBN-Wendeplatten / hochfeste CBN-Sorte | Besser geeignet für schwerere Schnitte, stärkere Unterbrechungen oder grobe/halbscharfe Hartbearbeitung |
| Endgültige Profilgenauigkeit / Ultrafeines Finish | Gehärtete Nockenwelle | Schleifen / Superfinishen / CBN-Hartschlichten je nach Toleranz | Wird verwendet, wenn eine sehr hohe Profilgenauigkeit, Oberflächengüte oder Endgeometriekontrolle erforderlich ist |
| Nicht-Standard-Nockenwelle Merkmale | Spezielle Geometrie / eingeschränkter Werkzeugzugang | Kundenspezifische Schneidwerkzeuge | Konzipiert für spezielle Lappenformen, enge Räume, kombinierte Operationen oder verbesserte Zykluszeiten |
Kundenspezifische Schneidwerkzeuge
Manchmal passen die Standardwerkzeuge aus einem Katalog nicht zu Ihrer speziellen Motorkonstruktion.
Wenn Standardwerkzeuge nicht ausreichen
Wenn Sie einen sehr engen Abstand zwischen den Lappen haben, wird ein Standardfräser den nächsten Lappen treffen. Oder Sie haben vielleicht eine konkave Lappenform, die ein flaches Werkzeug nicht erreichen kann.
Übliche Szenarien für benutzerdefinierte Werkzeuge
Sie brauchen ein Stufenwerkzeug. Das ist ein Werkzeug, mit dem man gleichzeitig eine Drehung und eine Fase machen kann. Es erspart Ihnen das Wechseln der Werkzeuge in der Maschine. Ein anderes Szenario ist ein spezielles Bohrstange für die Ölbohrung, die durch die Mitte der Nockenwelle verläuft.
Was Sie für benutzerdefinierte Werkzeuge angeben müssen
Wenn Sie ein benutzerdefiniertes Werkzeug beantragen, müssen Sie drei Dinge angeben:
- Eine 2D- oder 3D-Zeichnung des Teils.
- Das genaue Material und seine Härte.
- Der Maschinentyp und der Spindelanschluss.
Allgemeine Werkzeugprobleme und Lösungen
Auch mit den besten Werkzeugen kann etwas schief gehen. Hier erfahren Sie, wie Sie die häufigsten Probleme beheben können.
Vorzeitiger Werkzeugverschleiß auf gehärteten Oberflächen
Wenn Ihr CBN zu schnell verschleißt, liegt das an der Schnittgeschwindigkeit. Wenn Sie sie zu langsam laufen lassen, kann das CBN nicht die plastische Verformung erzeugen, die es für einen reibungslosen Schnitt benötigt. Versuchen Sie, die Geschwindigkeit um 10% zu erhöhen. Wenn dies nicht gelingt, prüfen Sie, ob das Material härter ist als erwartet.
Schlechte Oberflächengüte von Lagerzapfen
Eine gerissene Oberfläche bedeutet oft, dass das Werkzeug nicht scharf genug ist oder der Vorschub zu hoch ist. Bei Zapfen sollten Sie einen sehr geringen Vorschub pro Umdrehung wählen. Achten Sie außerdem darauf, dass Ihr Werkzeug eine Abstreifgeometrie hat. Ein Abstreifer ist eine flache Stelle an der Kante der Wendeplatte, die die Oberfläche beim Schneiden glättet.
Inkonsistente Nockenhubtoleranzen
Wenn sich die Höhe Ihrer Lappen von Teil zu Teil ändert, bewegt sich Ihr Werkzeug im Halter. Überprüfen Sie Ihre Spannkraft. Auch Hitze kann zu einer Ausdehnung des Werkzeughalters führen. Verwenden Sie eine hochpräzise Hydraulikhalterung kann dies lösen.
Vibrationen und Rattern beim Drehkranzfräsen
Rattern hinterlässt Zebrastreifen auf dem Metall. Das liegt in der Regel daran, dass das Werkzeug zu lang ist oder die Aufspannung nicht starr ist. Versuchen Sie es mit einem Fräser mit Differentialteilung. Das bedeutet, dass die Zähne ungleichmäßig verteilt sind, wodurch die Vibrationen gebrochen werden.
Zusammenfassung
Die Wahl des richtigen Werkzeugs erfordert die Abstimmung der Bearbeitungsstufe auf die richtige Materialsorte. Verwenden Sie Hartmetall für das frühe Schruppen und sparen Sie CBN für die gehärtete Endbearbeitung. Wenn Sie sich auf die Steifigkeit der Maschine und bei Bedarf auf Sonderanfertigungen konzentrieren, können Sie schöne Nockenwellen zu den geringstmöglichen Kosten pro Teil herstellen.
FAQs
Welche Art von Einsatz eignet sich am besten für die Endbearbeitung von gehärteten Nocken einer Nockenwelle?
Für die Endbearbeitung von gehärteten Nocken einer Nockenwelle, bestückte CBN-Wendeplatten sind in der Regel die bevorzugte Wahl. Sie bieten eine gute Verschleißfestigkeit, Hitzestabilität und Oberflächengüte und halten die Kosten pro Kante in einem vernünftigen Rahmen. Voll-CBN-Wendeschneidplatten eignen sich besser für schwerere Schnitte, unterbrochene Bearbeitungen oder das Schruppen/Halbschruppen von gehärteten Oberflächen, bei denen eine höhere Kantenfestigkeit erforderlich ist.
Können Standard-Hartmetalleinsätze nach der Wärmebehandlung Nockenwellen bearbeiten?
Im Allgemeinen nicht. Standard-Hartmetall nutzt sich bei Materialien, die härter als 45-50 HRC sind, fast sofort ab. Für diese Stufen benötigen Sie CBN.
Was ist der Unterschied zwischen massiven CBN-Wendeplatten und bestückten CBN-Wendeplatten?
Massives CBN besteht aus einem einzigen Stück Material, während bei bestücktem CBN eine kleine CBN-Schneide an einer Hartmetallbasis befestigt ist. Massive CBN-Wendeplatten bieten mehr CBN-Material und eignen sich für schwerere Schnitte oder stärkere unterbrochene Bearbeitungen. Bestückte CBN-Wendeschneidplatten sind kostengünstiger für leichte Schlicht- und kontinuierliche Schlichtbearbeitungen.
Wie wähle ich zwischen Hartdrehen und Schleifen für die Endbearbeitung von Nockenwellenzapfen?
Hartdrehen mit CBN ist oft schneller und verbraucht weniger Energie. Das Schleifen ist jedoch immer noch besser, wenn Sie extrem enge Toleranzen oder eine bestimmte Kreuzschraffur-Oberflächentextur benötigen.
Bieten Sie kundenspezifische Schneidwerkzeuge für spezielle Nockenwellengeometrien an?
Ja, Sonderwerkzeuge sind üblich, wenn es sich um einzigartige Nockenformen handelt oder wenn mehrere Bearbeitungsschritte in einem Werkzeug kombiniert werden müssen.
