Trockenbearbeitung beim CNC-Fräsen bedeutet, dass Werkstücke vollständig ohne Kühlschmierstoff zerspant werden. Dieses Verfahren ist sinnvoll, wenn der Werkstoff, die Werkzeugbeschichtung und die Maschinenkonfiguration aufeinander abgestimmt sind und die Wärme kontrolliert abgeführt werden kann. Die folgenden Abschnitte beantworten die wichtigsten Fragen rund um Trockenbearbeitung, geeignete Materialien, Werkzeuge und Maschinenvoraussetzungen.
Wann ist Trockenbearbeitung beim Fräsen sinnvoll?
Trockenbearbeitung beim CNC-Fräsen ist sinnvoll, wenn die entstehende Prozesswärme überwiegend über den Span abgeführt wird, der Werkstoff keine Neigung zum Aufkleben oder zu Aufbauschneiden zeigt und beschichtete Hochleistungswerkzeuge eingesetzt werden. Typische Anwendungsfelder sind die Bearbeitung von Stahl und Gusseisen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten.
Entscheidend ist, dass die Wärme nicht im Werkstück oder im Werkzeug verbleibt, sondern mit dem Span aus der Schnittzone transportiert wird. Gelingt das, entfällt der Kühlschmierstoff ohne Qualitätsverlust. In der Praxis gelingt dies besonders gut bei:
- Schruppbearbeitungen mit hohem Spanvolumen
- Werkstoffen mit guten Zerspanungseigenschaften wie normalgeglühten Baustählen
- Hochgeschwindigkeitsfräsen, bei dem die Wärme so schnell entsteht und abgeführt wird, dass das Werkstück kaum erwärmt wird
- Situationen, in denen Kühlschmierstoff die Bauteilqualität negativ beeinflussen würde, etwa bei bestimmten Oberflächenanforderungen
Weniger geeignet ist Fräsen ohne Kühlmittel hingegen bei tiefen Nuten, engen Toleranzen oder Werkstoffen, die thermisch empfindlich reagieren. Auch bei langen Eingriffslängen kann unkontrollierte Wärme zu Maßabweichungen und vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen.
Welche Werkstoffe eignen sich für die Trockenbearbeitung?
Für die Trockenbearbeitung beim CNC-Fräsen eignen sich vor allem Stähle mit guter Zerspanbarkeit, Grauguss und bestimmte Aluminiumlegierungen unter spezifischen Bedingungen. Werkstoffe, die zu Aufbauschneiden neigen oder sehr hohe Schnittkräfte erzeugen, sind für den Zerspanungsprozess ohne Kühlschmierstoff weniger geeignet.
Im Einzelnen lässt sich folgende Einordnung treffen:
- Gut geeignet: Baustähle, Vergütungsstähle, Grauguss, Sphäroguss, Werkzeugstähle im weichgeglühten Zustand
- Bedingt geeignet: Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumanteil, Kupferlegierungen mit angepasster Prozessführung
- Weniger geeignet: Schweißgeeignete Aluminiumlegierungen mit niedrigem Siliziumgehalt, da diese stark zur Aufbauschneidenbildung neigen, Titan, Inconel und andere Hochleistungslegierungen, die hohe Schnittkräfte und Wärme erzeugen
- Nicht empfehlenswert: Edelstähle und austenitische Stähle, die Wärme schlecht ableiten und zu Kaltverfestigung neigen
Der Werkstoff allein entscheidet jedoch nicht. Legierungszusammensetzung, Wärmebehandlungszustand und Materialhomogenität beeinflussen das Spanverhalten erheblich. Selbst kleine Änderungen im Legierungsanteil können die Prozessstabilität beim Fräsen ohne Kühlmittel spürbar verändern.
Was sind die Vor- und Nachteile der Trockenbearbeitung?
Die Trockenbearbeitung bietet wirtschaftliche und ökologische Vorteile, bringt aber auch technische Einschränkungen mit sich. Der größte Vorteil liegt im Wegfall von Kühlschmierstoffkosten und der zugehörigen Aufbereitung, Entsorgung und Pflege. Der größte Nachteil ist die schwieriger kontrollierbare Wärmeentwicklung im Zerspanungsprozess.
Vorteile der Trockenbearbeitung
- Keine Kühlschmierstoffkosten für Beschaffung, Aufbereitung und Entsorgung
- Reduzierter Reinigungsaufwand für Werkstücke und Maschinen
- Geringere Umweltbelastung durch Entfall von Emulsionen und Ölen
- Trockene Späne sind einfacher zu recyceln und zu entsorgen
- Kein Risiko von Kühlschmierstoffkontaminationen an sensiblen Bauteilen
Nachteile der Trockenbearbeitung
- Höhere thermische Belastung von Werkzeug und Werkstück
- Kürzere Werkzeugstandzeiten bei ungeeigneten Beschichtungen oder Werkstoffen
- Eingeschränkte Anwendbarkeit bei engen Toleranzen und tiefen Bohrungen oder Nuten
- Höhere Anforderungen an Maschinenspindel, Absaugung und Spanabfuhr
- Nicht für alle Werkstoff-Werkzeug-Kombinationen wirtschaftlich sinnvoll
Wie unterscheidet sich Trockenbearbeitung von der MMS-Bearbeitung?
Trockenbearbeitung verzichtet vollständig auf jede Form von Schmierstoff, während die Minimalmengenschmierung (MMS) eine sehr geringe Menge Öl oder Öl-Luft-Gemisch gezielt an die Schneidkante bringt. MMS ist damit kein vollständig trockenes Verfahren, bietet aber gegenüber der Nassbearbeitung deutlich reduzierte Kühlschmierstoffmengen.
Die wichtigsten Unterschiede im direkten Vergleich:
- Kühlschmierstoffmenge: Trockenbearbeitung: null, MMS: wenige Milliliter pro Stunde
- Schmierwirkung: Trockenbearbeitung: keine aktive Schmierung, MMS: gezielter Schmierfilm an der Schneide
- Werkzeugverschleiß: MMS reduziert Reibung und Verschleiß gegenüber vollständiger Trockenbearbeitung
- Anwendungsbreite: MMS ist für mehr Werkstoffe und Bearbeitungsoperationen geeignet, darunter auch Bohrungen und Gewindebearbeitung
- Maschinenaufwand: MMS erfordert ein Dosiersystem, Trockenbearbeitung benötigt nur eine leistungsfähige Spanabsaugung
Für viele Anwendungen ist MMS ein sinnvoller Kompromiss, wenn vollständige Trockenbearbeitung an ihre Grenzen stößt, aber der Aufwand der Nassbearbeitung vermieden werden soll. Die Entscheidung hängt vom Werkstoff, der Bearbeitungsoperation und den Qualitätsanforderungen ab.
Welche Werkzeuge und Beschichtungen sind für Trockenbearbeitung geeignet?
Für die Trockenbearbeitung beim CNC-Fräsen sind Hartmetallwerkzeuge mit Hochtemperaturbeschichtungen notwendig. Unbeschichtete Werkzeuge oder Beschichtungen, die für Nassbearbeitung ausgelegt sind, versagen bei hohen Trockenbearbeitungstemperaturen schnell. Die Beschichtung übernimmt dabei die Funktion des Kühlschmierstoffs teilweise.
Bewährte Beschichtungen für den Zerspanungsprozess ohne Kühlmittel sind:
- TiAlN (Titaniumaluminiumnitrid): Bildet bei hohen Temperaturen eine schützende Aluminiumoxidschicht, ideal für Stahlbearbeitung
- AlCrN (Aluminiumchromnitrid): Sehr hohe Warmhärte, besonders geeignet für schwer zerspanbare Werkstoffe
- TiSiN und ähnliche Nanokompositschichten: Für sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten und extreme Temperaturen
Neben der Beschichtung sind die Schneidengeometrie und der Spanraum entscheidend. Werkzeuge für Trockenbearbeitung benötigen einen großen Spanraum, um Späne zuverlässig aus der Schnittzone zu transportieren, da kein Kühlschmierstoff beim Spantransport hilft. Polierte Spanflächen reduzieren die Reibung und verringern die Neigung zur Aufbauschneidenbildung.
Welche Maschinenvoraussetzungen braucht die Trockenbearbeitung?
Für die Trockenbearbeitung beim CNC-Fräsen muss die Maschine in der Lage sein, Wärme und Späne ohne Kühlschmierstoffunterstützung zu beherrschen. Das erfordert eine leistungsfähige Spänefördertechnik, eine effektive Absauganlage und eine thermisch stabile Maschinenkonstruktion.
Die wichtigsten Maschinenvoraussetzungen im Überblick:
- Späneförderer und Absaugung: Trockene Späne neigen zum Stauben und Ansammeln. Eine leistungsfähige Absaugung verhindert Spänestau und Brandrisiko, besonders bei Aluminium
- Thermische Stabilität: Da kein Kühlschmierstoff die Maschinenstruktur temperiert, muss die Maschine thermisch kompensieren, etwa durch Kugelgewindetriebe mit Kühlung oder Temperatursensoren
- Hochdrehzahlspindel: Trockenbearbeitung funktioniert oft mit höheren Schnittgeschwindigkeiten. Eine Spindel mit ausreichender Drehzahl und Steifigkeit ist Voraussetzung
- Maschinenverkleidung: Flugspäne ohne Kühlmittelunterstützung erfordern eine robuste, geschlossene Verkleidung mit geeigneter Beobachtungsmöglichkeit
- Druckluftunterstützung: Viele Maschinen nutzen Druckluft zur Spanabfuhr als Ergänzung zur Absaugung
Ältere Maschinen, die ursprünglich für Nassbearbeitung ausgelegt wurden, lassen sich oft nachrüsten, jedoch mit Einschränkungen bei der thermischen Stabilität. Für einen wirtschaftlich sinnvollen Einsatz der Trockenbearbeitung in der Metallbearbeitung empfiehlt sich eine Maschine, die von Anfang an für diesen Zerspanungsprozess konzipiert wurde.
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