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Horn Blog

Vom Pulver bis zur fertigen Schneidplatte – Aus eigener Stärke zum Erfolg

November 2020
12
Autor: paulhorn
Firma: Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH
Vom Pulver bis zur fertigen Schneidplatte – Aus eigener  Stärke zum Erfolg

„Beste Ergebnisse lassen sich nur dann erzielen, wenn ich bei meinen Werkzeugen auf die gesamte Prozesskette einwirken kann!“ Diese Philosophie von Paul Horn, dem Gründer der Paul Horn GmbH, wird von seinem Sohn, Lothar Horn, und seinem Enkel, Markus Horn, als Grundlage für den Unternehmenserfolg konsequent weiterverfolgt.

Das über mehr als 50 Jahre gewachsene Produktionsvolumen lässt sich bei den von HORN bekannten kurzen Lieferzeiten nur mit hoch automatisierten – der Automatisierungsgrad liegt aktuell bei bis zu 97 Prozent – und sehr flexiblen Abläufen bewältigen. Das bedingt unter anderem eine kontinuierliche Anpassung der immer komplexer werdenden Herstellungsprozesse an die neuesten technischen, logistischen und organisatorischen Erkenntnisse und damit die Beherrschung verschiedener Prozessketten und Technologien von der Entwicklung bis zur Auslieferung.

Die Horn Hartstoffe GmbH

Das Werk der Horn Hartstoffe GmbH umfasst aktuell 5.000 m², davon 4.500 m² Produktionsfläche. Mit unterschiedlichen Formgebungsverfahren, Sintern und bei der Pulveraufbereitung repräsentiert die Hartstoffproduktion den neuesten Stand der Technik. Die Hartmetallproduktion ist nach Materialflussprinzipien organisiert, mit nachgeschalteten, in Reihe gegliederten Prozessen.

Ausgangspunkt der Qualität: der Werkzeugbau

Eine wirtschaftliche Formgebung bedingt hochgenaue Spritzguss- oder Presswerkzeuge – Qualitätsprodukte, wie sie der interne Werkzeugbau produziert. Entsprechend den wachsenden Anforderungen an die Hartstoffproduktion sind die Kapazität dieser Abteilung im Hinblick auf Fräs-, Erodier-, Flach- und Koordinatenschleifen sowie andere Betriebsmittel entsprechend angepasst. Die Konstruktion eines Werkzeugs für eine Schneidplatte und die Entwicklung der Spanformgeometrie erfolgen in etwa zeitgleich. Bei einer von der Entwicklungsabteilung vorgelegten Neuentwicklung prüft der Werkzeugbau deren Realisierbarkeit.

Vom Pulver zum Grünling

Der Herstellprozess einer Schneidplatte beginnt mit dem Mischen und Aufbereiten von pulverförmigen Hartmetalllegierungen, Presshilfsmitteln und Zusätzen zu pressfähigen Gemischen. Die Hartmetall­legierungen werden in Korngrößen von 0,6 bis 6 µm und wegen der Gleichmäßigkeit der Pulverzusammensetzung in Losen mit einem Chargengewicht von etwa 1.000 kg angeliefert. Beim Wiegen und Abstimmen der für die spätere Formgebung wichtigen Presshilfsmittel und Zusätze ist höchste Sorgfalt gefragt, da bereits Nuancen – die Presshilfsmittel werden mit Toleranzen von 0,01 g abgewogen – das Endprodukt entscheidend verändern können. Die pressfähigen Mischungen werden dann für die verschiedenen Formgebungsprozesse in vertikalen Karusselllagern nach dem Prinzip first in/first out bereitgestellt.

Direkte und indirekte Formgebungsprozesse

Die Umwandlung des pressfähigen Gemisches zu Schneidplatten oder Werkzeugschäften geschieht durch direkte und indirekte Formgebungsverfahren. Für die indirekte Formgebung kommen Strang- und Isostatpressen zum Einsatz. Die so erzeugten Grünlinge werden vorgesintert, danach spanend bearbeitet und fertig gesintert. Bei der direkten Formgebung, dem Axialpressen oder Spritzgießen, folgen als nachgeschaltete Arbeitsgänge nur das Vor- und danach das HIP-Sintern (HIP – Hot Isostating Pressing). 

Zwei Kolbenstangenpressen pressen das Gemisch in Stränge, deren Querschnitte den Werkzeugen der Reihe Supermini oder verschiedenen rotierenden Schäften entsprechen. Der kontinuierlich geformte Strang wird automatisch auf eine der Auflageplatte angepassten Länge getrennt, zum Vorsintern transportiert und danach in werkzeuggerechte Abschnitte getrennt, spanend profiliert, gereinigt und fertig gesintert.

Bei der isostatischen Presse wird das pressfähige Gemisch in eine elastische Hülle gefüllt, bei einem Druck von etwa 2.000 bar mithilfe einer Flüssigkeit radial verdichtet und zum Werkzeug geformt. Eine eingebaute Waage erlaubt das automatische Befüllen des zylinderförmigen Druckbehälters. Mit diesem Verfahren entstehen runde und ovale Querschnitte, mit und ohne Bohrung, sowie rotierende Schäfte. Bei einem Druck von etwa 2.000 bar dauert der Pressvorgang eines Stabes, 500 mm lang, 70 mm Durchmesser, etwa 90 Sekunden.

Seit 2012 kommen auch Axialpressen (Multiebenen-Pulverpressen) zum Einsatz. Ihre herausragenden konstruktiven Merkmale sind die servoelektrischen Antriebe von Ober- und Unterstempeln sowie die horizontal wirkenden, hydraulisch betätigten Querpressvorrichtungen. Sie erlauben das Herstellen komplexer Schneidplatten mit hoher Wirtschaftlichkeit. Der automatische Arbeitsablauf einschließlich Gewichtsüberwachung der Füllmenge unterliegt einer Prozesskontrolle, die alle Parameter kontinuierlich überwacht.

Spritzgießen von komplexen Formen

Durch das Spritzgießen lässt sich eine hohe Zahl von Freiheitsgraden realisieren, wie sie beispielsweise Hinterschneidungen, Freiformflächen und die diversen Zerspanungsgeometrien erfordern. Zum Herstellen solcher komplexen Schneidplatten kommen Spritzgießmaschinen mit automatischem Werkstückhandling zum Tragen. Die unter Mitwirkung des HORN-Betriebsmittelbaus entwickelten Automatisierungseinrichtungen entnehmen das Spritzgussteil der Maschine und legen es so ab, dass der Anguss per Laser abgetrennt werden kann. Als erster Werkzeughersteller weltweit produzierte HORN bereits 1992 Wendeschneidplatten im Spritzgießverfahren mit hoher Prozesssicherheit in Serie.

Vorsintern und Fertigsintern

Die Grünlinge sind nach dem Pressen oder Spritzgießen noch instabil und brüchig. Ihre Konsistenz ändert sich jedoch beim Vorsintern durch das Entbinden der Presshilfsmittel. Dies geschieht bei etwa 820 °C unter einer Wasserstoff-Atmosphäre. Danach lassen sich die vom Grünling zum Braunteil veränderten Teile durch Schleifen mit Diamantwerkzeugen auch spanend bearbeiten. Durch das Vorsintern und Zerspanen wird der Grünling zum fertig geformten Braunteil. Dieses erhält seine Endfestigkeit durch das HIP-Sintern, eine zeit- und temperaturgesteuerte Wärmebehandlung. Die von der Hartmetallzusammensetzung abhängige Sintertemperatur liegt zwischen 1.300 und 1.500 °C. Das Fertigsintern, die eigentliche Sinterverdichtung, erfolgt in der Flüssigphase der Bindemittel unter Vakuum in einer Schutzgasatmosphäre im Sinter-HIP-Ofen. Dabei verbessert sich die Gefügestruktur des Hartmetalls und aus den porösen Braunteilen entstehen Hartmetall-Schneidplatten hoher Festigkeit und Zähigkeit, wobei sich ihr Volumen um etwa 20 Prozent reduziert.

Permanente Prüfungen und In-ProzessKontrollen

Trotz der modernen Verfahrenstechnik und der prozesssicheren Arbeitsweise wird jeder Fertigungsschritt überwacht, geprüft und kontrolliert. Die Qualitätskontrolle sichert mit umfassenden Prüfungen und modernsten Mess- und Prüfanlagen die hohen Anforderungen an die Hartmetallrohlinge. Alle gesinterten Schneidplatten durchlaufen an vollautomatischen Messmaschinen eine hundertprozentige Maßkontrolle. Danach werden sie von speziell geschulten Mitarbeitern visuell auf Beschädigungen und Deformationen geprüft. Im Hartstofflabor prüfen und überwachen Mitarbeiter die physikalischen und metallurgischen Eigenschaften der Hartmetalle, vom pulverförmigen Ausgangsmaterial bis zum fertig gesinterten Hartmetallwerkzeug. Neben Materialanalysen, -prüfungen und Sinterprozessoptimierungen werden chargenabhängige, physikalische Werte an den Proben gemessen sowie mikroskopische Porositäts- und Gefügeuntersuchungen vorgenommen.        

Schleifmaschinen für µm-genaue Toleranzen

Bei HORN kommen 5-Achs-CNC-Maschinen mit einer definierten Grundausstattung zum Einsatz. Diese werden dann im eigenen Maschinenbau entsprechend der Anforderungen um- und aufgerüstet. Der Aufbau einer Grundmaschine zur Hightech-Maschine umfasst im Wesentlichen die produktspezifische, auf die automatisierte Schleiftechnologie abgestimmte Integration von Zusatzfunktionen wie Messen, Abrichten, Spannen, Positionieren, Wenden und Transportieren. Beispiele dafür sind standardisierte Schnittstellen für den Anbau modularer Baugruppen und Spannmittel, der Schleifscheibenwechsler und der NC-Teilapparat mit einer Rundlaufgenauigkeit von 1 µm. Der Anteil von Standard- und Sonderschneidplatten beträgt etwa 50:50. Über 95 Prozent der Schneidplatten durchlaufen den Fertigungsschritt Schleifen, bei welchem, je nach Produkt und Anforderung, Genauigkeiten von ± 1 µm  erreicht werden müssen und/oder z. B. beim System µ-Finish unter 200-facher Vergrößerung ausbruchsfreie Schneiden gewährleistet werden. Der Fertigungsbereich Schleifen umfasst den größten flächenmäßigen sowie in Bezug auf die Maschinen quantitativen Anteil der Produktion bei HORN.

Selbststeuernde, abteilungsübergreifende Auftragsabwicklung nach Prioritäten 

Die vorhandenen Fertigungskapazitäten bedingen aber auch ein darauf abgestimmtes Umfeld sowie eine sehr schnelle Auftragsabwicklung. Damit dies bei den kleinen Stück­zahlen der Sonder-Schneidplatten und Werkzeughalter möglichst effektiv geschehen kann, entwickelte HORN den sogenannten Greenline-Prozess, eine selbststeuernde, schnelle Auftragsabwicklung im gesamten Unternehmen ohne großen Planungs- und Verwaltungsaufwand. Damit können alle  Fertigungsaufträge für Schneidplatten in Losgrößen bis 50 Stück in höchstens drei Tagen produziert und nach weiteren Arbeitsgängen einschließlich Beschichten innerhalb nur einer  Woche, nach Zeichnungsfreigabe durch den Kunden, ausgeliefert werden. Bei Werkzeugträgern mit bis zu fünf Stück pro Fertigungsauftrag beträgt die Durchlaufzeit zwei Wochen.  

Beschichtungsabteilung als finale Veredelung

Eine nur wenige tausendstel Millimeter dünne Schicht kann den Werkzeugverschleiß mit all seinen Auswirkungen auf die Maschine, den Energiebedarf, die Betriebsmittel und Hilfsstoffe entscheidend beeinflussen. Deswegen befasst sich HORN seit rund 30 Jahren mit dem Beschichten. Zum Einsatz kommen speziell auf den HORN-Bedarf zugeschnittene PVD-Sputter-Beschichtungsanlagen. Das Verfahren der Kathodenzerstäubung erzeugt eine im Mikrobereich topografisch ebene Oberfläche und ermöglicht das Aufbringen verschiedener Schichtwerkstoffe. Mit neun Anlagen (Beschickungskapazitäten 1.400 bis 6.000 Schneidplatten pro Anlage) lassen sich alle derzeit gängigen Beschichtungen wie TiAlN, TiN und TiAlCN sowie die HORN-Eigenentwicklungen aufbringen. Dies geschieht in der Arbeitskammer unter Vakuum. Nach der Plasmareinigung werden die Schneidplatten bei etwa 480 °C je nach Werkzeug mit einer 1,5 µm bis 10 µm dicken Hartstoffschicht beschichtet. Dieser Prozess dauert je nach Schichtdicke 7 bis 14 Stunden. Danach werden die Schichtdicke, die Schichthaftung, der Schichtaufbau und dessen Struktur sowie die Schichtzusammensetzung mit modernsten Verfahren geprüft und quantifiziert.

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