Ein Leitfaden zur Bearbeitung von Werkzeugstahl: Arten, Techniken und Anwendungen

Bearbeitungswerkzeugstahl

Werkstoffe, die extremen Temperaturen standhalten und Maßgenauigkeit gewährleisten, sind für die Präzisionsfertigung unerlässlich. Die moderne industrielle Produktion setzt auf Werkzeugstahl, da dieser außergewöhnliche Härte, Verschleißfestigkeit und thermische Stabilität bietet. Standardmetalle können da nicht mithalten. 

Das Verständnis der Bearbeitungsmöglichkeiten dieser Legierungen ist für den Erfolg jeder Fertigungsoperation von entscheidender Bedeutung, egal ob es sich um die Herstellung von hochpräzisen Automobilkomponenten, Schneidwerkzeugen oder Spritzgussformen handelt. Die Bearbeitung von Werkzeugstahl ist komplex und erfordert Kenntnisse über die Materialauswahl, die Schnittparameter und die Wärmebehandlungsverfahren. 

ProLean Tech hat seine CNC-Bearbeitung Um den Herausforderungen bei der Bearbeitung gehärteter Legierungen gerecht zu werden, liefern wir präzisionsgefertigte, kundenspezifische Metallbearbeitungskomponenten, die engsten Toleranzen entsprechen. In diesem Leitfaden erfahren Sie alles Wichtige zur Werkzeugstahlbearbeitung: seine Sorten, die angewandten Bearbeitungstechniken und Anwendungsbereiche.

Was ist Bearbeitungsstahl?

Was ist Werkzeugstahlbearbeitung? 

Maschinenbearbeitung Werkzeugstahl Das Schneiden, Formen und Veredeln von Spezialstählen aus Kohlenstoff und legiertem Stahl ist ein Verfahren, das zur Herstellung von Werkzeugen, Formen und Spezialwerkzeugen dient. Hochleistungsstähle aus Kohlenstoffstahl enthalten häufig Chrom, Wolfram, Molybdän und Vanadium.Diese Eigenschaften verleihen dem Warmarbeitsstahl die Fähigkeit, seine Härte im Gefüge auch bei hohen Temperaturen beizubehalten. gleichzeitig Verschleiß- und Verformungsprozessen widerstehen. 

Die Bearbeitung von Werkzeugstahl umfasst verschiedene Verfahren wie Fräsen, Drehen, Bohren und Schleifen mit CNC-Maschinen. Im Gegensatz zu herkömmlichem Stahl benötigt Werkzeugstahl spezielle Schneidwerkzeuge, optimierte Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten sowie spezielle Kühlstrategien während der Bearbeitung. Diese Bearbeitung erfolgt üblicherweise im geglühten (weichen) oder gehärteten Zustand. 

Vorteile der Bearbeitung von Werkzeugstahlteilen

Die Bearbeitung von Werkzeugstahl zu Gebrauchsteilen ist aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften bekannt. Einige davon werden im Folgenden beschrieben. 

Fertigungsflexibilität

Duktilität

Werkzeugstahl ist für seine Härte bekannt, aber sachgemäß bearbeitete Legierungen weisen eine ausreichende Duktilität auf, die ausreicht, um die Stoßbelastung ohne katastrophales Versagen zu tragen. Diese ausgewogene Duktilität ermöglicht es, die Werkzeugstähle zur Herstellung von Stanzwerkzeugen zu verwenden.

Vielseitigkeit

Werkzeugstahl ist in verschiedenen Güteklassen erhältlich, darunter D2, A2, S7 usw. Diese Vielseitigkeit macht ihn in nahezu allen Branchen einsetzbar, von schlagfesten Legierungen über Werkzeuge für die Schlagbearbeitung bis hin zu lufthärtenden Varianten. Ingenieuren steht eine breite Palette an Optionen zur Verfügung, um den optimalen Stahl für ihre individuellen Bearbeitungsanwendungen auszuwählen. 

gute Zähigkeit

Zähigkeit ist die entscheidende Eigenschaft von Werkzeugen, die zyklischen Belastungen und Stoßkräften ausgesetzt sind. Bei Werkzeugstahl bezeichnet Zähigkeit die Fähigkeit, Energie zu absorbieren, bevor es zum Bruch kommt. Durch moderne Wärmebehandlungen wird ein optimales Verhältnis zwischen Härte und Zähigkeit des Metalls erzielt. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich in Anwendungen, bei denen regelmäßig plötzliche Stöße auftreten. 

Mechanische Leistung

Viele Werkzeugstahlsorten bieten im geglühten Zustand eine gute Bearbeitbarkeit. Sie lassen sich mit Standard-Schneidwerkzeugen bearbeiten, wobei auch weiche Stähle leicht Material abgetragen werden kann. bester Stahl für die Bearbeitung gleicht seine Eigenschaften wie Bearbeitbarkeit, Zähigkeit und Härte in seinen Anwendungsbereichen aus. 

Robustes Design

Abriebfestigkeit

Werkzeugstahl enthält harte Karbidpartikel, die in der gesamten Metallmatrix verteilt sind. Diese Karbidpartikel verleihen dem Stahl eine hohe Verschleißfestigkeit. Sie schützen ihn vor abrasivem, adhäsivem und erosiven Kräften, die herkömmliche Werkstoffe schnell schädigen können. 

Abriebfestigkeit

Oberflächenverformungen durch Abrieb können in der Werkzeugindustrie die Hauptursache für Materialausfälle sein. Werkzeugstahllegierungen wirken diesem Problem durch ihren hohen Kohlenstoffgehalt und die Bildung von Karbiden entgegen. 

Thermische Leistung

Wärmebehandelbarkeit

Hersteller können den gewünschten Härtegrad durch optimierte Wärmebehandlungen des Werkzeugstahls erreichen. Die kontrollierte Reaktion des Stahls auf die Wärmebehandlung unterscheidet ihn von anderen Werkstoffen. Diese Eigenschaft ermöglicht auch die kundenspezifische Anpassung von Stahlbauteilen, um exakt die für die jeweiligen Anwendungen erforderlichen Eigenschaften zu erzielen. 

Hitzebeständigkeit

Die Hitzebeständigkeit von Werkzeugstahl ist die mechanische Eigenschaft, die ihn anderen Stählen überlegen macht. Stahlsorten wie Warmarbeitsstähle (H1, H13 und H21) behalten ihre Härte auch über 500 °C. Dieser Wärmewiderstand verhindert das Erweichen des Metalls bei Hochgeschwindigkeitsschneidvorgängen.  

Gängige Arten von Werkzeugstahllegierungen

Arten von Werkzeugstahllegierungen 

 Kenntnisse über gängige Werkzeugstahllegierungen sind notwendig, um die richtige Güteklasse für die Anforderungen des jeweiligen Projekts auszuwählen. Die gängigen Werkzeugstahllegierungen sind im Folgenden aufgeführt: 

• Werkzeugstahl D2
• Werkzeugstahl A2
• Werkzeugstahl S7
• Werkzeugstahl O1
• Werkzeugstahl H13
• Werkzeugstahl H3

Lasst uns die Gemeinsamkeiten zwischen ihnen erörtern.  

Werkzeugstahl D2 (D-Serie)

Werkzeugstahl D2 ist eine hochkohlenstoffhaltige und hochchromhaltige Legierung. Es weist die beste Verschleißfestigkeit auf. Seine Dimensionsstabilität beruht auf der Lufthärtung. Es enthält 12 % Chrom, das in der Matrix Chromcarbide bildet. Diese sorgen für hervorragende Abriebfestigkeit, ohne dass eine Ölhärtung erforderlich ist.  

Die Bearbeitung von D2-Werkzeugstahl erfordert Hartmetallwerkzeuge und niedrige Schnittgeschwindigkeiten. Er zeigt hohe Leistungsfähigkeit bei der Herstellung von Walzen, Stanzwerkzeugen und verschleißfesten Bauteilen. 

Werkzeugstahl A2 (lufthärtend)

Werkzeugstahl der Güteklasse A2 bietet ein optimales Verhältnis von Verschleißfestigkeit, Härte und Bearbeitbarkeit. Er enthält einen moderaten Chromanteil, der geringer ist als bei Werkzeugstahl D2. Die Kombination aus Chrom und Molybdän sorgt für gute Härte und gewährleistet gleichzeitig die Dimensionsstabilität während der Wärmebehandlung. 

Werkzeugstahl S7

Der Werkzeugstahl S7 ist für seine hervorragenden Stoßfestigkeitseigenschaften bekannt. Er weist außerdem eine gute Schlagzähigkeit auf und Härte bis zu 52 – 56 HRC. Es enthält Silizium und Molybdän, die für eine ausreichende Verschleißfestigkeit bei modernen Anwendungen sorgen. 

Werkzeugstahl S7 findet Anwendung in Bereichen wie Schermessern, Presslufthammerwerkzeugen und Kaltumformwerkzeugen. Er eignet sich besonders für Anwendungen, bei denen plötzliche Stöße weiche Werkstoffe verschleißen können. 

Werkzeugstahl O1 (ölhärtend)

Werkzeugstahl O1 ist die klassische ölhärtende Stahlsorte. Er zeichnet sich durch hervorragende Bearbeitbarkeit im geglühten Zustand und eine gute Oberflächenhärte nach dem Abschrecken aus. O1 ist die wirtschaftliche Werkzeugstahlsorte, die ausgewogene Anteile an Kohlenstoff, Mangan, Wolfram und Chrom enthält. Dadurch entsteht eine feinkörnige Struktur mit guter Zähigkeit.  

Werkzeugstahl H13

Werkzeugstahl H13 ist vor allem in Anwendungen mit Warmumformung beliebt. Er zeichnet sich durch hervorragende Beständigkeit gegen thermische Ermüdung und hohe Zähigkeit bei hohen Temperaturen aus. Dank des Gehalts an Chrom, Molybdän und Vanadium ist er auch bei Temperaturen über 500 °C beständig gegen Wärmerisse. 

Werkzeugstahl H3

Werkzeugstahl H3 eignet sich hervorragend für Warmumformungsanwendungen. Er enthält weniger Chrom als H13.Stahl der Güteklasse H3. Er zeichnet sich durch hohe Beständigkeit gegen Oxidation und Hitzekorrosion aus. Die Güteklasse H3 enthält zudem eine geringe Menge Wolfram, was die Wärmespeicherung bei hohen Temperaturen verbessert. 

Wie bearbeitet man Werkzeugstahl?

Wie man Werkzeugstahl bearbeitet

Es ist sehr wichtig zu verstehen, wie man Werkzeugstahl effektiv bearbeitet. Dies erfordert die Beherrschung einiger Techniken und Parameter, die sich deutlich von denen konventioneller Stähle unterscheiden. 

Werkstoffzustand und Werkzeugauswahl

Dies ist der erste entscheidende Schritt bei der Bearbeitung von Werkzeugstahl. Vor der Wahl des Stahlzustands sollten die Projektanforderungen und Materialeigenschaften genau bekannt sein. Geglühter Stahl lässt sich leichter bearbeiten und formen und ist weicher. Typischerweise weist geglühter Werkzeugstahl eine Brinellhärte von 200–250 HB auf. Die Bearbeitung kann mit Schnellarbeitsstahl- und Hartmetallwerkzeugen erfolgen. 

Gehärtete Formen erfordern einen höheren Aufwand beim Schneiden und Bearbeiten der Bauteile. Beim Fräsen von Werkzeugstahl im gehärteten Zustand empfiehlt sich der Einsatz von Keramikeinsätzen oder Werkzeugen aus kubischem Bornitrid (CBN), um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Werkstückvorbereitung und -einrichtung

Der Arbeitsplatz muss vor Beginn der Bearbeitung sicher und ordnungsgemäß befestigt sein. Es ist wichtig, ein Verrutschen des Werkstücks während der Bearbeitung zu verhindern. Ein loses Werkstück kann sich bewegen, was zu Ungenauigkeiten und ungleichmäßigen Schnitten führt. 

Verwenden Sie Klemmen, Schraubstöcke und Vorrichtungen, um das Werkstück am Arbeitsplatz fest zu fixieren. Dies gewährleistet die Sicherheit der Schneidwerkzeuge, beugt Fehlern im Bearbeitungsprozess vor und minimiert das Risiko ungleichmäßiger Schnittkräfte. 

Schnittparameter einstellen

Die richtigen Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe sind für die Bearbeitung von Werkzeugstahl unerlässlich. Verwenden Sie bei Werkzeugstahl niedrige Schnittgeschwindigkeiten (zwischen 100 und 150 SFM) und einen moderaten Vorschub. Beginnen Sie langsam und passen Sie die Geschwindigkeit an das Werkzeugverschleißbild und die Oberflächenqualität an. Achten Sie auf eine gleichmäßige Schnitttiefe und überwachen Sie die Spanbildung. Beim Fräsen von Werkzeugstahl sind höhere Vorschübe und niedrigere Schnittgeschwindigkeiten oft besser als beim Drehen, da sie die Schnittkräfte auf mehrere Zähne verteilen. 

Kühlmittelanwendung und -management

Bei der Bearbeitung von Werkzeugstahl reduziert eine effektive Kühlmittelzufuhr die Wärmeentwicklung und verlängert so die Werkzeugstandzeit. Wasserlösliche synthetische Kühlmittel bieten eine hervorragende Kühlung für hohe Schnittgeschwindigkeiten, während schwefelhaltige Schneidöle eine optimale Schmierung bei der Bearbeitung von Stahlsorten oder bei häufigen Unterbrechungen gewährleisten. Verwenden Sie nach Möglichkeit Hochdruck-Werkzeugkühlmittelsysteme, um die Kühlflüssigkeit gezielt in die Schnittzone zu leiten. Dies sorgt für einen effizienten Späneabtransport und verhindert Kaltverfestigung durch Überhitzung.

Chip-Kontrollstrategien

Die Spanbildung lässt sich steuern, um Werkzeugschäden zu vermeiden und eine gleichbleibende Qualität zu gewährleisten. Lange, faserige Späne deuten auf übermäßige Duktilität oder eine unzureichende Spanbrechgeometrie hin, was Anpassungen der Vorschubgeschwindigkeit und der Schneidplattenkonstruktion erfordert. Achten Sie auf eine gute Spankontrolle bei gleichzeitiger Minimierung der Reibung. Unterschiedliche Werkzeugstahlsorten erzeugen charakteristische Spanformen. Lufthärtende Sorten wie A2 und D2 neigen zu kürzeren Spänen, während ölhärtende Sorten längere, duktilere Späne erzeugen, die aktive Spanbrechstrategien erfordern.

Vibrations- und Wärmemanagement

Die Kontrolle von thermischen und Vibrationseffekten ist entscheidend für Maßgenauigkeit und Oberflächengüte. Es ist wichtig, Rundlauffehler zu minimieren und Vibrationen, die durch ungenaue Zentrierung oder lockeren Werkzeughalterkontakt in das System gelangen, zu verhindern. Achten Sie auf stabile Maschineneinstellungen und verwenden Sie hochwertige Werkzeughalter. Überwachen Sie nach Möglichkeit die Schnitttemperaturen mittels Infrarot- oder Wärmebildkameras. Passen Sie die Parameter an, wenn übermäßige Wärme entsteht, die zu Kaltverfestigung und Maßänderungen führen könnte.

Optimierung der Oberflächenbeschaffenheit

Um die gewünschte Oberflächengüte zu erzielen, ist die Kontrolle der Schnittparameter und Werkzeugbedingungen entscheidend. Für Rauheitswerte unter 0.4 Ra sorgen scharfe Schneidkanten bei stabilen Bearbeitungsbedingungen. Feinkörnige Werkzeugstähle erzeugen bessere Oberflächen als grobkörnige oder stark legierte Sorten. Für besonders ästhetische oder extrem präzise Oberflächen sollten Sie Nachbearbeitungsverfahren wie Schleifen, Läppen oder Polieren in Betracht ziehen.

Inspektion nach der Bearbeitung

Vor Beginn der weiteren Bearbeitung ist eine gründliche Prüfung erforderlich, um die Maßgenauigkeit und Oberflächenqualität zu überprüfen. Zur geometrischen Überprüfung werden Koordinatenmessgeräte und optische Komparatoren eingesetzt. Härteprüfungen an Proben werden durchgeführt, um sicherzustellen, dass die Bearbeitung keine Kaltverfestigung oder andere unerwünschte mikrostrukturelle Veränderungen verursacht hat. Abweichungen sind zu dokumentieren und die Bearbeitungsparameter für zukünftige Teile entsprechend anzupassen.

Vorbereitung der Wärmebehandlung 

Bei der Bearbeitung vor der Wärmebehandlung sind geeignete Toleranzen zu berücksichtigen, um Maßänderungen während des thermischen Zyklus auszugleichen. Scharfe Kanten und Spannungskonzentrationen, die beim Abschrecken zu Rissen führen könnten, sind zu entfernen. Spannungsarmglühen ist eine gute Option für Bauteile, die vor der abschließenden Wärmebehandlung stark bearbeitet wurden. Die abschließenden Bearbeitungsschritte sind so zu planen, dass sich kritische Maße während der Wärmebehandlung nicht verändern.

Arbeitsgangspezifische Bearbeitung von Werkzeugstahl

Vorteile der Werkzeugstahlbearbeitung

Werkzeugstahl kann mittels CNC-Bearbeitung bearbeitet werden. Im Folgenden werden einige grundlegende Techniken zur Bearbeitung von Werkzeugstahl vorgestellt. 

Bohrarbeiten

Das Bohren ist aufgrund der Härte von Stahl oft schwierig. Um Spanbildung zu vermeiden, sollten Sie mit Tiefbohrzyklen arbeiten. Hartmetall- und Kobaltwerkzeuge sind den auf dem Markt erhältlichen HSS-Werkzeugen überlegen. Auch die Wärmeentwicklung beim Bohren stellt eine Herausforderung dar. Kühlmittelgeführte Bohrer sind die beste Wahl für die Bearbeitung von Werkzeugstahl. 

Drehoperationen

Drehtechniken werden häufig bei der Bearbeitung von Werkzeugstahl eingesetzt. Es wird empfohlen, beim Drehen von Stahl auf der Drehmaschine Hartmetallwerkzeuge zu verwenden. Die Schnittgeschwindigkeit sollte moderat und der Vorschub während des Drehvorgangs konstant sein. Verwenden Sie beim Schruppen starre Werkzeuge und halten Sie den Überhang so gering wie möglich. Beim Schlichten verringern Sie die Schnitttiefe und erhöhen die Schnittgeschwindigkeit leicht. Dadurch vermeiden Sie übermäßige Wärmeentwicklung und verbessern die Oberflächengüte.  

Fräsarbeiten

Verwenden Sie Hochleistungs-Schaftfräser zum Fräsen von Werkzeugstahl, um die Härte des Materials zu überwinden. Die Vorschubgeschwindigkeit sollte hoch sein, während beim Schruppen ein konservativer Vorschub gewählt werden sollte. Reduzieren Sie sowohl die Vorschubgeschwindigkeit als auch die Schnitttiefe, um glatte Oberflächen zu erzielen. 

Schleifvorgänge

Durch Schleifen von Werkzeugstahl lassen sich glatte Oberflächen und enge Toleranzen an den Bauteilen erzielen. Verwenden Sie dazu keramisch gebundene Schleifscheiben. Achten Sie darauf, dass die Scheiben vor dem Bearbeitungsprozess scharf sind. Üben Sie nur geringen Druck aus, um Risse oder Verbrennungen an der Oberfläche zu vermeiden. 

Anwendungsbereiche der Werkzeugstahlbearbeitung

Anwendungen der Werkzeugstahlbearbeitung

Nachfolgend sind einige gängige Anwendungsgebiete der Werkzeugstahlbearbeitung aufgeführt. 

Werkzeuge und Formen

Schneidewerkzeuge 

Bearbeitungsstahl bildet die Grundlage für viele auf dem Markt erhältliche Schneidwerkzeuge. Er wird zur Herstellung von Bohrern, Gewindebohrern, Reibahlen und Fräsern verwendet. Eigenschaften des Materials wie Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und Schnitthaltigkeit ermöglichen es diesen Werkzeugen, den Belastungen tausender Bearbeitungsvorgänge standzuhalten und ihre scharfen Schneiden zu bewahren. 

Formen

Viele Formentypen, wie Spritzguss-, Blasform- und Formpressformen, basieren auf präzise gefertigten Werkzeugstahlformen. Mit diesen Formen werden Gummi- und Kunststoffteile hergestellt. Werkzeugstahlformen halten den verschiedenen Formgebungszyklen stand und gewährleisten eine gute Oberflächengüte und Genauigkeit. 

Stanzschablonen

Die Bearbeitung von Werkzeugstahl dient der Herstellung von Werkzeugen, darunter Stanz- und Strangpresswerkzeuge. Je nach Anwendungsbereich erfordern unterschiedliche Werkzeugarten spezifische Stahlsorten, abhängig von den Betriebstemperaturen, der Stoßbelastung und den Verschleißmechanismen. 

Maschinenkomponenten 

Werkzeugstahl wird zur Herstellung zahlreicher Bauteile wie Spindeln, Spannzangen und Verschleißplatten verwendet. Das Material verleiht ihnen Oberflächenhärte und Formstabilität. Diese Maschinenteile gewährleisten die Einhaltung enger Toleranzen auch unter hoher Belastung. Sie widerstehen Oberflächenverschleiß durch Reibung und wiederholten Kontakt. 

Handwerkzeuge

Viele Handwerkzeuge, wie Meißel und Schraubendreher, werden ebenfalls durch Bearbeitung von Werkzeugstahl hergestellt. Diese Werkzeuge bieten auch unter anspruchsvollen Bedingungen eine vielversprechende Leistung. 

Automobil- und Industrieteile

Werkzeugstahl wird häufig zur Herstellung von Automobilteilen verwendet. Diese Teile behalten ihre Leistungsfähigkeit auch unter hohem Druck und hohen Temperaturen. Daher sind auch die Medizin- und Luftfahrtindustrie für viele Komponenten auf die Bearbeitung von Werkzeugstahl angewiesen.

Fazit

Für die Bearbeitung von Werkzeugstahl ist es wichtig, die Materialeigenschaften und Wärmebehandlungen zu verstehen. Zudem sind verschiedene fortschrittliche Fertigungsverfahren erforderlich. Die Bearbeitung von Werkzeugstahl ist die richtige Wahl, wenn Anwendungen höchste Verschleißfestigkeit, hohe Härteerhaltung und Dimensionsstabilität unter extremen Bedingungen erfordern – Anforderungen, die Standardwerkstoffe bei Schneidwerkzeugen, Spritzgussformen und Präzisionswerkzeugen nicht erfüllen können. 

Werkzeugstähle sind aufgrund ihrer hohen Härte, ihres hohen Abrasivitätsgehalts und ihrer Temperaturempfindlichkeit schwieriger zu bearbeiten als Kohlenstoff- oder legierte Stähle. Dies erfordert Spezialwerkzeuge, niedrigere Schnittgeschwindigkeiten und eine präzise Kühlung. Für eine erfolgreiche Fertigung ist es wichtig, die richtige Werkzeugstahlsorte auszuwählen, die Schnittparameter zu optimieren und geeignete Frästechniken anzuwenden. 

Effektives Werkzeugstahlfräsen erfordert eine Kombination aus theoretischem Wissen und praktischer Erfahrung in verschiedenen Bearbeitungsschritten und an unterschiedlichen Werkstoffsorten. Die strategische Anwendung der Werkzeugstahlbearbeitung wird mit der Verbesserung der Fertigungstechnologie durch Echtzeit-Prozessüberwachung und -optimierung immer komplexer.

Die CNC-Fertigungskapazitäten und die jahrzehntelange Erfahrung von ProLean Tech ermöglichen die Herstellung von Werkzeugstahlkomponenten, die höchste Ansprüche erfüllen. Unser umfassender Ansatz gewährleistet die einwandfreie Funktion Ihrer Komponenten – egal ob Sie Prototypenwerkzeuge oder Großserien benötigen. Kontaktieren Sie unser Team, Um fachkundigen Rat einzuholen oder einen Beratungstermin für Ihre Werkzeugstahlbearbeitungsanforderungen zu vereinbaren.