CBN-Wendeschneidplatten Einsatzgebiete

Die Bearbeitung gehärteter Stähle und schwer zerspanbarer Gusswerkstoffe stellt Fertigungsverantwortliche vor eine klassische „Make-or-Buy“-Entscheidung hinsichtlich der gewählten Technologie. Während das Schleifen lange Zeit als das Maß aller Dinge für hohe Oberflächengüten und Maßhaltigkeit bei Härten über 50 HRC galt, hat sich das Hartdrehen und Hartfräsen mit kubischem Bornitrid (CBN) als ernstzunehmende Alternative etabliert. Der wirtschaftliche Druck, Durchlaufzeiten zu verkürzen und Prozessketten durch die Komplettbearbeitung auf einer Maschine zu straffen, rückt den Schneidstoff CBN in den Fokus der Produktionsplanung. Doch der Einsatz dieses Hochleistungsschneidstoffs erfordert ein Umdenken bei Prozessparametern, Maschinenvoraussetzungen und der Kostenkalkulation, da sich die physikalischen Gesetzmäßigkeiten im Vergleich zur konventionellen Hartmetallbearbeitung signifikant verschieben.

Einordnung und Relevanz für die Praxis

Kubisches Bornitrid ist nach synthetischem Diamant das zweithärteste bekannte Material. Für die zerspanende Industrie ist es jedoch oft wertvoller als Diamant, da CBN chemisch inert gegenüber Eisenwerkstoffen ist. Während Diamant bei der Bearbeitung von Stahl aufgrund der Kohlenstoffaffinität bei hohen Temperaturen versagt, behält CBN seine Härte und chemische Stabilität auch bei Schnitttemperaturen über 1.000 Grad Celsius bei. Dies ist der entscheidende Hebel für die Hartbearbeitung: Die Hitze wird gezielt genutzt, um den Werkstoff in der Scherzone lokal zu plastifizieren, was den Spanbruch erleichtert und die mechanische Belastung der Schneide in Grenzen hält.

In der modernen Fertigungskette ersetzt oder ergänzt CBN das Schleifen. Bauteile wie Getriebewellen, Lagerringe, Ventilführungen oder Bremsscheiben können oft in einer Aufspannung fertiggedreht werden. Dies eliminiert Rüstzeiten, reduziert den Kühlmittelbedarf – da CBN bevorzugt trocken eingesetzt wird – und vermeidet die Entsorgung von Schleifschlamm. Die Relevanz ergibt sich also nicht nur aus der reinen Zeitersparnis, sondern aus einer schlankeren Logistik und reduzierten Kapitalbindung in der Fertigung. Damit dieser technologische Wechsel gelingt, müssen jedoch die Rahmenbedingungen in der Werkhalle exakt auf die sprödharten Eigenschaften des Schneidstoffs abgestimmt sein.

Typische Anforderungen in Betrieben

Der Wechsel auf CBN ist kein reiner Werkzeugtausch, sondern eine Systementscheidung. Da CBN extrem hart, aber im Vergleich zu Hartmetall deutlich spröder ist, reagiert es empfindlich auf Vibrationen und instabile Schnittbedingungen. Die Werkzeugmaschine muss eine hohe statische und dynamische Steifigkeit aufweisen. Spiel in den Führungen oder eine instabile Hauptspindel führen unweigerlich zu Mikroausbrüchen an der Schneidkante, was die Standzeit massiv verkürzt und die Oberflächengüte ruiniert.

Auch die Spannsituation des Werkstücks verdient besondere Aufmerksamkeit. Dünnwandige Bauteile oder labile Spannungen sind Gift für den CBN-Prozess. Die Schnittkräfte sind beim Hartdrehen zwar oft niedriger als bei der Weichbearbeitung, aber sie konzentrieren sich auf eine sehr kleine Kontaktfläche. Zudem ist die thermische Stabilität der Maschine entscheidend. Da hohe Toleranzen im Bereich von IT5 bis IT7 angestrebt werden, darf der Wärmegang der Maschine über den Arbeitstag hinweg nicht zu Maßabweichungen führen, die den Vorteil der Prozessfähigkeit zunichtemachen. Diese technischen Voraussetzungen bilden das Fundament, auf dem die Auswahl der konkreten Werkzeugstrategie aufbaut.

Optionen und Vorgehensmodelle

Der Markt für CBN-Wendeschneidplatten ist stark differenziert, um unterschiedliche Anwendungsfälle abzudecken. Grundsätzlich lassen sich die Optionen nach dem CBN-Gehalt und der Bindungsphase kategorisieren, was direkten Einfluss auf Zähigkeit und Verschleißfestigkeit hat.

Das erste Modell betrifft den CBN-Gehalt (Low-CBN vs. High-CBN). Platten mit einem geringeren CBN-Anteil (ca. 40–60 Prozent) und keramischen Bindern eignen sich hervorragend für die Schlichtbearbeitung von gehärtetem Stahl im glatten Schnitt. Sie bieten eine hohe chemische Beständigkeit gegen Kraterverschleiß. Im Gegensatz dazu stehen Sorten mit hohem CBN-Gehalt (bis zu 90 Prozent oder mehr) oft mit metallischen Bindern. Diese Varianten sind deutlich zäher und werden primär für die Bearbeitung von Grauguss oder für gehärtete Stähle im stark unterbrochenen Schnitt (z. B. Verzahnungen) eingesetzt.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist die Schneidkantenpräparation. CBN-Schneiden sind fast nie scharfkantig, da sie sonst sofort ausbrechen würden. Die sogenannte Schutzfase (T-Land) und die Verrundung der Kante müssen zum Vorschub passen. Eine breite Fase stabilisiert die Kante bei unterbrochenem Schnitt, erhöht aber den Schnittdruck und die Passivkräfte, was wiederum Vibrationen begünstigen kann. Eine leichtere Honung reduziert den Schnittdruck, eignet sich aber nur für sehr stabile Prozesse.

Schließlich steht die Entscheidung zwischen bestückten und massiven Platten an. Bei bestückten Platten (Tipped) wird nur ein kleines CBN-Segment auf einen Hartmetallträger gelötet. Dies ist die wirtschaftlichste Lösung für feine Schlichtschnitte. Massive CBN-Platten (Solid) kommen zum Einsatz, wenn hohe Schnitttiefen gefordert sind oder die Platte beidseitig genutzt werden soll, etwa in der Gussbearbeitung. Die Wahl der richtigen Variante ist ein Abwägungsprozess zwischen den physikalischen Gegebenheiten des Bauteils und den wirtschaftlichen Zielen.

Entscheidungskriterien, die in der Praxis zählen

Um die richtige CBN-Sorte und Geometrie auszuwählen, sollten Fertigungsplaner eine klare Matrix aus technischen und ökonomischen Faktoren heranziehen. Es geht selten um „die beste“ Platte, sondern um die passendste für den spezifischen Operationsmix.

• Werkstoffhärte und Gefüge: Liegt die Härte konstant über 45 HRC? Weiche Stellen im Material können für CBN tödlich sein, da der Span das Bindemittel auswäscht.
• Schnittunterbrechung: Handelt es sich um einen glatten Schnitt (z. B. Lagerring) oder einen stark unterbrochenen Schnitt (z. B. über Bohrungen oder Nuten)? Glatter Schnitt verlangt Verschleißfestigkeit (Low-CBN), unterbrochener Schnitt verlangt Zähigkeit (High-CBN).
• Oberflächenanforderung (Rz/Ra): Soll Schleifqualität erreicht werden? Hier sind Wiper-Geometrien (Breitschlichtfasen) oft notwendig, um trotz wirtschaftlicher Vorschübe die geforderte Rauheit zu erzielen.
• Aufmaßsituation: Wie viel Material muss abgetragen werden? Die Schnitttiefe sollte idealerweise nicht größer sein als die Schneidplattenlänge des CBN-Tips, um die Lötnaht nicht zu belasten.
• Kühlmittelstrategie: Ist Trockenbearbeitung möglich? Dies ist technisch meist vorteilhaft, um Thermoschocks zu vermeiden. Nassbearbeitung ist nur zulässig, wenn der Strahl permanent und mit hohem Druck direkt an die Schneide gelangt.

Sind diese Parameter definiert, lässt sich die Auswahl signifikant eingrenzen. Der nächste Schritt ist die operative Implementierung an der Maschine, wo Theorie auf Fertigungsrealität trifft.

Umsetzung: Schrittfolge und Verantwortlichkeiten

Die Einführung von CBN-Prozessen erfordert Disziplin in der Arbeitsvorbereitung und an der Maschine. Der Prozess beginnt bei der Definition der Schnittdaten. Anders als bei Hartmetall gilt hier oft: Mut zur Geschwindigkeit. Eine zu niedrige Schnittgeschwindigkeit (Vc) verhindert die nötige Erweichung des Werkstoffs in der Scherzone, was den Verschleiß der Platte paradoxerweise erhöht. Startwerte sollten sich strikt an den Herstellerempfehlungen orientieren und von dort aus optimiert werden.

Die Verantwortlichkeit für den Prozess liegt nicht allein beim Bediener. Die Arbeitsvorbereitung muss sicherstellen, dass die Vorbearbeitung (das Weichdrehen und Härten) ein gleichmäßiges Aufmaß liefert. Schwankende Aufmaße führen zu variierenden Schnittkräften, die den Prozess destabilisieren. Die Instandhaltung muss zudem gewährleisten, dass die Spindellagerung und die Führungsbahnen der Maschine im Toleranzbereich liegen. Ein Rundlauffehler, der beim Weichdrehen tolerierbar war, ist beim Hartdrehen inakzeptabel.

Beim Einfahren des Prozesses ist das „Ohr“ des Bedieners oft ein guter Indikator, aber eine systematische Verschleißmessung ist unerlässlich. Freiflächenverschleiß ist die normale Abnutzungsform. Sobald jedoch Kerbverschleiß oder Ausbrüche auftreten, muss sofort in die Parameter oder die Schneidkantengeometrie eingegriffen werden. Ein sauberer Prozess erfordert zudem eine klare Strategie für den Werkzeugwechsel, bevor die Maßhaltigkeit des Bauteils leidet. Diese operative Sorgfalt schützt vor teuren Fehlern, die bei Hochleistungsschneidstoffen schnell ins Geld gehen.

Häufige Fehler und wie Sie sie vermeiden

Trotz guter Vorbereitung scheitern CBN-Einsätze oft an scheinbaren Kleinigkeiten, die in der Hektik des Alltags übersehen werden. Die Analyse fehlgeschlagener Versuche zeigt wiederkehrende Muster, die sich durch gezielte Aufmerksamkeit vermeiden lassen.

• Thermoschock durch falsche Kühlung: Intermittierende Kühlmittelzufuhr führt zu Rissen in der Schneidplatte. Wenn gekühlt werden muss, dann unter Hochdruck und ohne Unterbrechung. Besser ist oft die komplette Trockenbearbeitung.
• Angstzuschläge beim Vorschub: Ein zu geringer Vorschub (f) führt dazu, dass die Schneide nicht schneidet, sondern drückt (Pflügeeffekt). Dies erzeugt enorme Hitze und Verschleiß an der Freifläche. Der Vorschub muss zur Fasengeometrie passen.
• „Babysitting“ der Schnittgeschwindigkeit: Wer CBN zu langsam fährt, um das Werkzeug zu schonen, erreicht das Gegenteil. Die fehlende Prozesstemperatur erhöht die mechanische Belastung.
• Vernachlässigung des Rundlaufs: Ein schlecht gespanntes Werkstück oder ungenaue Werkzeughalter führen zu Vibrationen. Bei CBN resultiert daraus oft ein spontaner Plattenbruch statt eines schleichenden Verschleißes.

Das Bewusstsein für diese Fehlerquellen sollte fester Bestandteil der Mitarbeiterschulung sein. Bevor der Regelbetrieb startet, lohnt sich zudem ein letzter systematischer Check der gesamten Konfiguration.

Praxischeck: Fragen für die interne Abstimmung

Nutzen Sie die folgende Liste, um vor der Investition oder der Umstellung eines Bauteils die Erfolgswahrscheinlichkeit zu prüfen. Diese Fragen dienen als Leitplanken für das Gespräch zwischen Fertigung, Planung und Einkauf.

• Ist die Härte des Bauteils über die gesamte Serie hinweg prozesssicher (> 45 HRC) gewährleistet?
• Erlaubt die Maschine die erforderlichen Schnittgeschwindigkeiten und Drehzahlen bei ausreichender Wuchtgüte der Spannmittel?
• Können wir trocken bearbeiten, oder ist das Bauteil thermisch so empfindlich, dass gekühlt werden muss?
• Ist das Aufmaß aus der Vorbearbeitung konstant (ideal 0,1 bis 0,3 mm für Schlichtoperationen)?
• Rechnet sich der höhere Werkzeugpreis durch den Wegfall eines kompletten Schleifprozesses (TCO-Betrachtung)?

Fazit und Ausblick

Der Einsatz von CBN-Wendeschneidplatten ist heute keine exotische Nischenanwendung mehr, sondern ein Standardverfahren für effiziente Fertigungsbetriebe im Bereich Automotive, Antriebstechnik und Maschinenbau. Die Technologie ermöglicht es, gehärtete Bauteile flexibler und oft kostengünstiger zu fertigen als durch traditionelles Schleifen. Der Schlüssel zum Erfolg liegt jedoch nicht im Werkzeug allein, sondern in der Beherrschung des gesamten tribologischen Systems aus Maschine, Werkstück und Schneidstoff.

Zukünftige Entwicklungen bei CBN-Substraten zielen auf noch feinere Kornstrukturen und verbesserte Bindungsphasen ab, um die Lücke zwischen Zähigkeit und Härte weiter zu schließen. Auch Beschichtungstechnologien werden zunehmend wichtiger, um die Standzeiten weiter zu verlängern und die Reibung zu minimieren. Für Fertigungsverantwortliche bleibt die Empfehlung, CBN-Prozesse schrittweise einzuführen, beginnend bei stabilen Bauteilen, und dabei das Know-how der Maschinenbediener konsequent aufzubauen. Wer die physikalischen Besonderheiten dieses Schneidstoffs respektiert, erschließt sich massive Produktivitätsreserven.