Prozesssicher stechen: Geometrie, Kühlung und Beschichtung im Zusammenspiel

Einstechen, Abstechen, Formstechen: Das Stechdrehen zählt zu den anspruchsvollsten Verfahren der Drehbearbeitung. Im Gegensatz zum klassischen Längs- oder Plandrehen bearbeitet die Schneide beim Ein- und Abstechen das Werkstück zwischen zwei Flanken. Während der Span beim Längsdrehen vergleichsweise frei ablaufen kann, begrenzen beim Stechdrehen die Werkstückflanken die Schneide links und rechts. Seit mehr als 50 Jahren entwickelt die Paul Horn GmbH Lösungen für diese Bearbeitungen und gilt weltweit als Spezialist auf diesem Gebiet.

Der Span verlässt die Zerspanungszone beim Stechdrehen im Wesentlichen nur nach oben und entgegen der Vorschubrichtung. Deshalb steigen die Anforderungen an Werkzeuggeometrie, Spanformung, Kühlung und Prozessstabilität. Bereits kleine Abweichungen können Spanwickler, erhöhten Verschleiß, schlechte Oberflächenqualitäten oder Werkzeugbruch verursachen. Erst das abgestimmte Zusammenspiel aus Werkzeugtechnologie, Beschichtung, Maschinenstabilität, Spanntechnik und Prozessführung sorgt für stabile Ergebnisse. Ziel bleibt, den Span kontrolliert zu formen, sicher aus der Nut abzuleiten und hohe Standzeiten zu erzielen.

Bedeutung der Schneidengeometrie

Die Schneidengeometrie beeinflusst das Ein- und Abstechen maßgeblich. Ihre Hauptaufgaben bestehen darin, die Späne kontrolliert zu führen und gezielt zu formen. Kurze, beherrschbare Spanformen wie Wendelspanstücke, Spiralspäne, Kommaspäne, Reißspäne oder Bröckelspäne verhindern Spanwickler und reduzieren Prozessstörungen. Lange Bandspäne hingegen behindern den Spanfluss und verschlechtern die Oberflächenqualität. Gleichzeitig verjüngt die Geometrie den Span, damit er trotz der eingeschlossenen Bearbeitungssituation sicher aus der Nut abgeführt werden kann.

Besonders deutlich zeigt sich der Einfluss der Geometrie beim Vergleich verschiedener Spanleitstufen. Geschliffene, runde Spanleitstufen beeinflussen den Span oft nur gering. Geometrien mit ausgeprägten Spanformelementen erzeugen dagegen kurze, kontrollierte und stark verformte Späne. Vor allem bei rostfreien Werkstoffen wie 1.4305 entscheidet die richtige Geometrie über Prozesssicherheit und Standzeit.

Trochoidales Stechdrehen

Das trochoidale Stechdrehen erweitert die Möglichkeiten klassischer Stechprozesse. Statt die gesamte Nut im Vollschnitt zu bearbeiten, bewegt sich das Werkzeug auf einer überlagerten Bahnbewegung durch das Werkstück. Dadurch reduziert sich die Werkzeugbelastung, zugleich verbessert sich der Spanabtransport, weil kleinere Spanquerschnitte entstehen. Besonders bei tiefen Einstichen oder schwer zerspanbaren Werkstoffen bietet dieses Verfahren Vorteile. Durch die geringeren Eingriffsverhältnisse sinken die radialen Kräfte, parallel reduziert sich die thermische Belastung der Schneide.

Bedeutung moderner Beschichtungen

Die Beschichtung moderner Stechplatten beeinflusst Wirtschaftlichkeit und Prozesssicherheit. Sie reduziert Verschleiß, minimiert die Reibung zwischen Span und Werkzeug, verhindert Aufbauschneiden und ermöglicht höhere Schnittparameter. Gleichzeitig verbessert eine geeignete Beschichtung die Verschleißerkennung und erhöht die Prozessstabilität. Bei der Entwicklung der Werkzeugschichten müssen Einflussgrößen wie chemische Wechselwirkung, Schneidkantenverrundung, Beschichtungsprozess und mechanische Eigenschaften berücksichtigt werden.

Entscheidend bleibt jedoch immer das Zusammenspiel aller Komponenten. Stimmen Geometrie, Substrat und Beschichtung nicht überein, können Rissbildung oder Schichtabplatzungen entstehen. Auch Maschinenstabilität, Werkstückspannung, Werkzeugaufnahme, Kühlstrategie und Schnittparameter wirken direkt auf die Leistungsfähigkeit der Schneidplatte ein. Praxisversuche zeigen, dass angepasste Beschichtungen deutliche Standzeitsteigerungen ermöglichen.

Kühlung im Stechprozess

Die Kühlung übernimmt beim Stechdrehen eine zentrale Aufgabe. Einerseits reduziert sie die thermische Belastung der Schneide, andererseits unterstützt das Kühlmedium aktiv den Spantransport aus der Zerspanungszone. Besonders beim Einstechen in rostfreie Werkstoffe entstehen hohe Temperaturen. Praxisuntersuchungen zeigen deutliche Unterschiede zwischen verschiedenen Kühlstrategien. Bei externer Kühlmittelzufuhr mit niedrigen Drücken treten häufig starke Verschleißerscheinungen auf der Spanfläche auf. Wird der Kühlmitteldruck erhöht, reduziert sich der Verschleiß bereits deutlich.

Gute Ergebnisse erzielen Systeme, die das Kühlmittel direkt an die Spanfläche führen. Moderne Klemmhalter mit integrierter Kühlmittelzufuhr ermöglichen eine gezielte Kühlung direkt in der Zerspanungszone. Dadurch sinkt die thermische Belastung der Schneide, zudem verbessert sich die Spanabfuhr. Auch die Zusammensetzung des Kühlschmierstoffs beeinflusst den Prozess. Bereits kleine Änderungen des Ölanteils können deutliche Auswirkungen auf die Standzeit haben.

Abstechen mit X- und Y-Achse

Das Abstechen bildet den letzten Bearbeitungsschritt auf der Hauptspindel. Fehler in diesem Prozess führen unmittelbar zu Ausschuss oder Beschädigungen am Bauteil. Traditionell erfolgt das Abstechen über die X-Achse. Hierbei wirken die Schnittkräfte senkrecht zur Werkzeugaufnahme. Mit zunehmendem Abstand zwischen Schneide und Aufnahme wächst der Hebelarm und die Biegebeanspruchung sowie Schwingungsneigung steigen.

Beim Abstechen über die Y-Achse verändert sich die Richtung der resultierenden Schnittkraft. Ein Großteil der Kräfte wird über die Schnittgeschwindigkeit aufgenommen, während nur ein kleiner Anteil über den Vorschub wirkt. Die resultierende Kraft wird etwa unter 30 Grad in die Werkzeugaufnahme eingeleitet. Dadurch verkürzt sich der wirksame Hebelarm erheblich.

Beim Y-Abstechen reduziert sich die Belastung um etwa 30 Prozent. Folglich laufen die Prozesse ruhiger und vibrationsärmer. Praxisbeispiele zeigen, dass sich durch den Wechsel von X- auf Y-Abstechen sowohl Standzeit als auch Prozessruhe verbessern. Voraussetzung ist, dass Maschine und Steuerung die notwendigen Verfahrwege und Bearbeitungsstrategien unterstützen.

Formstechen komplexer Konturen

Komplexe Konturen wie Vielzahnprofile stellen hohe Anforderungen an die Prozessstrategie. Eine Möglichkeit besteht darin, die Kontur konventionell mit einem Stechwerkzeug schrittweise zu erzeugen. Dieses Verfahren eignet sich besonders für Prototypen oder Kleinserien. Bei großen Stückzahlen steigen jedoch Programmier- und Bearbeitungsaufwand erheblich. Alternativ ermöglichen Formstechwerkzeuge die Herstellung der kompletten Kontur in nur einem Bearbeitungsschritt. Der Vorteil liegt in hoher Wiederholgenauigkeit und kurzen Bearbeitungszeiten. Allerdings erzeugt die gleichzeitig eingreifende Schneidenlänge hohe Zerspanungskräfte.

Das Schälformstechen erweitert das klassische Formstechen um eine prozessstabilere Strategie. Das Werkzeug fährt nicht radial in das Werkstück ein, sondern wird tangential am Werkstück vorbeigeführt. Dadurch entstehen die einzelnen Formelemente nacheinander. Im Gegensatz zum radialen Formeinstich greift nicht die gesamte Schneidenbreite gleichzeitig in das Material ein. Beim klassischen Formstechen können Schnittkräfte von nahezu 6.000 N auftreten. Beim Schälformstechen liegen die Kräfte deutlich niedriger. Die geringeren Belastungen sorgen für ruhigere Prozesse, geringere Maschinenbeanspruchung und niedrigere Geräuschpegel.

Fazit

Horn gilt als Spezialist für wirtschaftliches und prozesssicheres Stechdrehen. Entscheidend für stabile Prozesse sind abgestimmte Schneidengeometrien, moderne Beschichtungen, gezielte Kühlung und eine hohe Maschinenstabilität. Optimierte Spanformung und Innenkühlung verbessern Spanabfuhr, Oberflächenqualität und Standzeiten deutlich. Verfahren wie trochoidales Stechdrehen oder Y-Achsen-Abstechen reduzieren Kräfte, erhöhen die Prozessruhe und steigern die Wirtschaftlichkeit.

Quelle: Paul Horn GmbH, bearbeitet von Annika Ostermeier