Siemens Flexible Steuerung sorgt für vielfältige Produkte

Autor / Redakteur: Hans Peter Küng / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Hartmetalle kommen immer häufiger und in unterschiedlichsten Branchen zum Einsatz. Die Vielfalt der Produkte und deren Genauigkeit wären noch vor zehn Jahren undenkbar gewesen. Dabei helfen die Simulation und die Möglichkeit, direkt an der Maschine Programme zu erstellen.

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Bild 1: Selbst komplexe Bauteile, die länger als 6 m sind, können mit dem Multifunktions-Dreh-Fräszentren des Typs MTC 630 bearbeitet werden.
Bild 1: Selbst komplexe Bauteile, die länger als 6 m sind, können mit dem Multifunktions-Dreh-Fräszentren des Typs MTC 630 bearbeitet werden.
(Bild: Siemens)

Der rasante Fortschritt in der Herstellung und Verarbeitung von Hartmetallen zeigt sich bei einem Hersteller aus Plaffeien bei Freiburg in der Schweiz: „Softformerei“ – so lautet beim Hartmetallhersteller Extramet AG die Bezeichnung der Werkstatt, in der die sogenannten Grünlinge bearbeitet werden. Im Grünlingszustand befindet sich Hartmetall vor dem Sintern, also bevor es die eigentliche Hartmetallqualität mit ihrer jeweils charakteristischen Härte, Zähigkeit und Biegefestigkeit erreicht.

Grünling ist weich und zugleich formstabil

Ein Grünling ähnelt in seiner Beschaffenheit einem Stück Schul- oder Tafelkreide und ist ein widersprüchliches Material: Es ist sehr weich und zerbröselt regelrecht, wenn es zu Boden fällt. Gleichzeitig ist es jedoch so formstabil, dass es sich drehen, fräsen, bohren, also mechanisch bearbeiten lässt.

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Urs Käser, Direktor Produktion & Technik bei Extramet, erklärt: „Deshalb können Grünlinge im Gegensatz zu gesinterten Hartmetall-Werkstücken, die sich nur noch mit teuren, diamantbeschichteten Werkzeugen bearbeiten lassen, zu einem Bruchteil der Kosten in Form gebracht werden.“

Darin liegt einer der Hauptgründe für die kontinuierliche Verbreitung von Hartmetall (Bild 1). Doch die Grünlingsbearbeitung ist ziemlich eigen, sie erfordert Erfahrung und stellt überdies hohe Anforderungen an die Mitarbeiter und Werkzeugmaschinen.

Der Grünling schrumpft, die Anforderungen nicht

Während aus den fertig bearbeiteten Grünlingen beim Sintern, einer Kombination aus thermischer Behandlung und Verdichtungsvorgang mit Gas, Hartmetallteile entstehen, schrumpfen die Werkstücke um etwa 30 % (Bild 2). Die endgültig geforderte Präzision an die Werkstücke ist – trotz des nachträglichen Schrumpfens – schon bei der Bearbeitung der Grünlinge einzuhalten. Oft geht es um zwei oder drei Hundertstel, sodass selbst die kleinste Nachlässigkeit während eines Produktionsschrittes am Ende zu einer ungenügenden Qualität führen kann.

Grünlinge werden in der Softformerei bearbeitet

In der Softformerei stehen für das Fräsen der Grünlinge unter anderem zwei Tongtai-Maschinen des Typs TMV-720A bereit (Bild 3). Die mit Sinumerik 840D sl gesteuerten Drei-Achs-Fräszentren sind mit CNC-gesteuerten Zwei-Achs-Drehtischen aus der TF-fix-Reihe der Peter Lehmann AG ausgestattet, sodass sie damit über eine vierte und fünfte Achse verfügen. „Dieser Tisch bringt einerseits die notwendige Flexibilität, um komplexere Teile in einer Aufspannung zu erledigen. Andererseits können wir so Werkstücke fertigen, die sich, am besten direkt auf dem Tisch aufgespannt, fünf- oder auch dreiachsig bearbeiten lassen“, erklärt Oliver Steiner von der Steiner Werkzeugmaschinen AG, Gränichen, dem Lieferanten der Maschinen.

Achskinematik lässt sich reproduzierbar prüfen

Sowohl er als auch der Steuerungshersteller haben an der Konfiguration der Fräszentren maßgeblich mitgewirkt. Die CNC verfügt mit dem Cycle 996 über einen Kinematikzyklus, der den zügigen Wechsel zwischen den Betriebsarten mit unterschiedlich vielen gesteuerten Achsen unterstützt: Er misst selbst mehrere Rundachsen einfach und schnell aus, trägt eventuelle Korrekturen in die Steuerung ein und richtet die Achsen digital aus. Die Genauigkeit der Achskinematik lässt sich damit reproduzierbar prüfen und automatisch korrigieren. Bei Bedarf kann man im Hintergrund mitschreiben und dokumentieren, etwa für das Qualitätsmanagementsystem.

Das Schrumpfen von Anfang an einplanen

Ausnahmslos alle Rohteilzeichnungen entstehen intern bei Extramet: „Wir müssen den Schrumpffaktor von vornherein berücksichtigen“, begründet Olivier Risse aus dem CAD/CAM-Büro das Vorgehen. Gezeichnet wird mit Solid Edge, ebenso wie die Steuerungen der Fräsmaschinen ein Siemens-Produkt. Der Schwundfaktor lässt sich mit dieser Software per Mausklick übertragen. Änderungen der Zeichnung machen das NC-Programm im CAM-System ungültig und alle Operationen werden automatisch neu berechnet. Da die Programmierungssoftware über alle Postprozessoren der Maschinen verfügt, lassen sich die Programme anschließend simulieren – und zwar sowohl als reiner Werkzeugweg als auch mit einberechnetem Materialabtrag. Für die Simulation der beiden Tongtai TMV-720A haben die Zeichner sogar die komplette Maschine in NX CAM abgebildet, inklusive des Lehmann-Tisches (Bild 4).

Trotz dieser ausgereiften CAD/CAM-Ausstattung entsteht etwa die Hälfte der Fräsprogramme direkt an den vertikalen Bearbeitungszentren von Tongtai (Bild 5). Dabei programmieren die Einrichter und Maschinenbediener an der Steuerungsoberfläche Sinumerik Operate über die werkstattorientierte Arbeitsschrittprogrammierung Shopmill, mit der sich NC-Programme ab Zeichnung erstellen lassen.

Grünlinge fräsen – ein staubiges Geschäft

Obwohl für die Bearbeitung von Grünlingen keine große Zerspanungsleistung notwendig ist, machen die hohen Anforderungen an die Werkstückgenauigkeit unter widrigen Bedingungen robuste Werkzeugmaschinen erforderlich. Einer der Gründe dafür ist, dass Grünlinge trocken bearbeitet werden müssen. Dabei sondern sie statt Spänen das staubfeine Pulver ab, aus dem sie bestehen. Je nach Hartmetallsorte beträgt die Korngröße 1,2 bis 0,5 µm. Werkzeugmaschinen in der Softformerei sind schwarz davon und sehen aus, als seien sie verrußt (Bild 6) – trotz diverser Absaugrohre, die das Pulver teils direkt im Bearbeitungsraum der Maschinen, teils unter und an den Maschinen absaugen.

Da der Staub einen starken Verschleiß erzeugt, kommt längst nicht jede Werkzeugmaschine für den Einsatz in der Softformerei infrage. Alles, was sich bewegt, speziell die Führungen der Maschinen, muss davor geschützt sein. Die Firma Steiner brachte hier ihre Erfahrung mit der Bearbeitung von Saphir, einem ebenfalls abrasiven Werkstoff, in die Ausgestaltung der Maschinen ein. „Wir haben die Fräsmaschinen unter anderem mit speziellen Arbeitsraum- und Führungsabdeckungen ergänzt, die Tongtai dann gemäß unseren Anforderungen an den ausgelieferten Maschinen umgesetzt hat“, so Oliver Steiner. Da der Frässtaub sehr schwer ist, setzt er sich schnell ab. In den beiden Fräszentren sind deshalb statt Späneförderern schubladenähnliche Kästen eingebaut, in denen sich der Staub sammelt.

Abrasivem Verschleiß standhalten

Genau dem Effekt, den die Grünlinge mit ihrem Staub erzeugen, halten sie nach dem Sintern stand: dem Verschleiß. Wenn Teile, die ständiger Reibung ausgesetzt sind, aus Hartmetall bestehen, verlängert das ihre Lebensdauer deutlich. Sie halten bis zu 20-mal länger. Zu den Abnehmern der Extramet-Hartmetalle gehören Werkzeughersteller, Unternehmen aus der Automobil-, der Luftfahrtindustrie oder der Medizintechnik (Bild 7). Und seit Kurzem hat das Unternehmen ein cobaltfreies Hartmetall entwickelt, das sich für die Verwendung in der Lebensmittelindustrie eignet. Endprodukte entstehen dort allerdings grundsätzlich keine: „Zwar haben wir eine Schleiferei, wo wir als Dienstleister gewisse Halbfabrikate erstellen oder Arbeitsschritte auf dem Weg zum Endprodukt übernehmen. Aber wir sind und bleiben Hartmetallhersteller“, sagt Käser. Und er ergänzt: „ selbst die Werkzeuge, die wir in unseren eigenen Maschinen einsetzen, kaufen wir zu.“

Die Herstellung von Hartmetall erfordert besonderes Know-how. Das fängt beim Wissen um die Rezepturen der unterschiedlichen Hartmetallsorten an. Dann folgt die Fähigkeit, die pulverförmigen Komponenten mit unterschiedlichen Korngrößen und Mengenanteilen so zu mischen, dass daraus absolut homogen gefügtes Hartmetall entsteht. Schließlich muss entschieden werden, welche Maschinen für die Bearbeitung infrage kommen. Und damit hört das notwendige Fachwissen noch lange nicht auf...

* Hans Peter Küng ist Mitarbeiter im Sinumerik User Support bei der Siemens AG, Digital Factory, Motion Control Systems, 8047 Zürich (Schweiz)

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