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Was ist wirtschaftlicher? Gewinde bohren oder formen? – Ein Vergleich

| Autor/ Redakteur: Dr. Diethard Thomas / Andrea Gillhuber

Zur Herstellung von Innengewinden werden sowohl Gewindebohrer als auch Gewindeformer eingesetzt. Das Angebot an entsprechenden Werkzeugen ist groß. Aber welches Verfahren bringt die besten Ergebnisse?

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Presspolierte Gewindeflanken beim Gewindeformen.
Presspolierte Gewindeflanken beim Gewindeformen.
(Bild: LMT Group)

Gewinde können mit verschiedenen Werkzeugen hergestellt werden: mit Gewindebohren, -fräsen und -formen. Doch mit welchem lässt sich das beste Ergebnis erzielen? Das soll dieser Artikel zeigen. Am Start zu nachfolgender Betrachtung stehen Hochleistungswerkzeuge der LMT Tools, und zwar einteilige und mehrteilige beziehungsweise modulare Gewindewerkzeuge. Sie messen sich in ihrer Leistung bezüglich realisierbarer Schnittwerte, Standzeit und Wirtschaftlichkeit.

Wenn möglich, sollte das Gewindeformen – auch Gewindefurchen genannt – angewendet werden. Es verursacht keine Späne und somit auch keinen Spänestau und keine Spänewickler, wie sie gelegentlich beim Gewindebohren zu beobachten sind. Das wirkt sich auch positiv auf die Prozesssicherheit aus. Die Materialfasern werden kalt verfestigt und bewirken dadurch höchste Gewindefestigkeit. Aus diesem Grund wird das Gewindeformen für Sicherheitbauteile oftmals sogar vorgeschrieben. Die Qualität der Gewinde mit ihren presspolierten Gewindeflanken ist ausgezeichnet.

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Ein weiterer Vorteil sind die realisierbaren hohen Arbeitsdaten beziehungsweise Geschwindigkeiten und daraus resultierend kurze Prozesszeiten. Die Formgeschwindigkeit ist wesentlich höher als die Schnittgeschwindigkeit bei einer vergleichbaren spanenden Anwendung und liegt im Bereich von 20 bis 50 m/min. Auch die Standzeit ist in der Regel deutlich höher. Zudem ist die Werkzeugvielfalt geringer, was sich positiv auf die Lagerhaltung auswirkt.

Vor- und Nachteile des Gewindeformens

Aber das Gewindeformen hat gegenüber dem Gewindebohren auch Nachteile. Es lässt sich beispielsweise nicht für alle Werkstoffe anwenden. Diese müssen eine Bruchdehnung von mindestens 8 % haben und dürfen eine Materialfestigkeit von 1400 N/mm2 nicht überschreiten. Weitere Nachteile sind gesteigerte Anforderungen zum Vorbohren sowie die höheren erforderlichen Drehmomente, die bei größeren Gewinden eine Standardmaschine an ihre Leistungsgrenze bringen können. Allerdings können die höheren Drehmomente durch maßgeschneiderte PVD-Beschichtungen verbunden mit optimierter Werkzeuggeometrie sowie durch den gezielten Einsatz von Emulsionen/Öl oder MMS (Minimalmengenschmierung) zur Verringerung der Reibung reduziert werden. Aber dennoch ist die anwendbare Durchmesserpalette begrenzt. Zum Einsatz kommen in der Regel Gewindeformer bis M20. Größere Gewinde, wie M36 aus der Windenergietechnik oder M85 für Schiffsdiesel, sind dann ausschließlich den Gewindebohrern überlassen.

In der Grafik sind die erforderlichen Drehmomente für kleinere Gewinde M16 im Vergleich zu den größeren Abmessungen M36 und M85 abzulesen. Für M16 und M36 sind sowohl das Gewindeschneiden als auch das Gewindeformen im Material 42CrMo4 dargestellt, wobei das Gewindeformen im größeren Gewinde ein theoretischer Wert ist, da es praktisch nicht realisiert wird. Das Gewinde M85 wurde in Grauguss GG25 spanend erzeugt.

Die richtige Vorbereitung für Gewinde

Ein wichtiger Leistungsträger zur Erzeugung der Kernlochbohrung zum Gewinden sind die VHM-Bohrer X-Speed. Ihre Durchmesser wurden speziell auf das Gewindebohren und -formen in Stahl- und Gusswerkstoffen abgestimmt. Bohrungstiefen von 3 × D und 5 × D sind ebenso möglich wie 8 × D. Bei großen Bohrtiefen sorgen Führungsfasen für eine gesicherte Bohrungsgenauigkeit. Zusätzlich ermöglichen Stufenwerkzeuge das gleichzeitige Anfasen der Bohrungen. Mit neuem Schneidstoff, effektiver Geometrie und maßgeschneiderter Beschichtung generieren diese Hochleistungsbohrer Präzision und Prozesssicherheit.

Zur Ermittlung des richtigen Kernlochdurchmessers DK zum Gewindebohren und Gewindeformen dienen folgende Faustformeln:

Gewindebohren: DK= DNenn – P;

Gewindeformen: DK = DNenn – (0,5 × P) + 0,05;

wobei DNenn = Gewinde-Nenndurchmesser und P = Gewindesteigung bedeuten.

Beim Gewindeformen wirkt sich bereits eine Abweichung des Kernlochdurchmessers um plus/minus einhundertstel Millimeter auf die Ausformung des Gewindes aus. Es beeinflusst die Größe der sogenannten Formfalte. Empfehlenswert ist daher, den Kernlochdurchmesser nur in Plus-Toleranz zu wählen (m7/h8). Dadurch wird auch das Einklemmen des Formers verhindert und somit Werkzeugbruch beziehungsweise die Überformung des Gewindes. Wird der empfohlene Vorbohrdurchmesser eingehalten, entsteht ein Gewinde im Toleranzfeld nach DIN 13, Teil 50.

Auf Basis neuester Erkenntnisse bezüglich Entwicklung und Anwendung von Gewindewerkzeugen hat LMT Tools zur Messe AMB ihr Programm um weitere Werkzeuge ergänzt. Dazu zählen der VHM-Gewindeformer Formmax. Er besteht aus einem neu entwickelten Feinstkornhartmetall mit optimierter Formergeometrie. Zur weiteren Steigerung der Gewindequalität und Standzeit hat die beschichtete Werkzeugoberfläche einen besonderen Glättungsprozess erfahren. Alle Werkzeuge sind für innere Kühlmittelzufuhr ausgestattet. Bevorzugtes Anwendungsgebiet der Gewindeformer ist die Bearbeitung von Stahl einschließlich rostfreiem Stahl und Nichteisenmetallen in der Serienfertigung, beispielsweise in der Automobil- oder Zulieferindustrie.

Fallen wie beim Gewindeformen keine Späne an, wird die Prozesssicherheit deutlich gesteigert. Deshalb haben die Entwickler von LMT Fette eine Lösung gesucht, die auch beim Gewindebohren negative Auswirkungen von Spänen verringert. Als Ergebnis konnte auf der AMB der neue Gewindebohrer Chipbreaker präsentiert werden. Sein signifikantes Konstruktionsmerkmal ist die patentierte Fase an den Schneidkanten. Damit gehören ab sofort lange Späne bei der Bearbeitung langspanender Stahlwerkstoffe, wie C45, ST-52, 42CrMo4, der Vergangenheit an.

Zusätzlich wird der Spänetransport durch innere Kühlmittelzufuhr optimiert und die Werkzeugstandzeit erhöht. Außerdem ist der Gewindebohrer auch für MMS geeignet. Damit eignet sich der Gewindebohrer für die Serienfertigung in der Automobilindustrie und im Maschinenbau sowie für die Einzelteilfertigung (Kleinserie).

Leistungsparameter verbessern

Um Nachteile gegenüber Formern, zum Beispiel geringere Schnittgeschwindigkeit und Standzeit, zu verringern, bietet LMT Tools den modularen Gewindebohrer XChange an. Er besteht aus einem zähen Stahlschaft mit einem auswechselbaren, verschleißfesten Hartmetall-Gewindekopfe; nach Standzeitende wird lediglich der Gewindekopf ausgetauscht. Der Hauptvorteil dieses Gewindewerkzeugs liegt in den realisierbaren hohen Schnittgeschwindigkeiten verbunden mit kurzen Takt- und Prozesszeiten und dadurch reduzierten Maschinen- beziehungsweise Fertigungskosten pro Gewinde. In Praxisanwendungen konnte die Schnittgeschwindigkeit gegenüber HSS- Gewindebohrern mehr als verdoppelt werden. Dieses modulare Werkzeug ist besonders für Gusswerkstoffe GG und GGG sowie für kurzspanende Materialien konzipiert. Auch Aluminiumlegierungen mit mehr als 12 % Silizium sind problemlos bearbeitbar. Wirtschaftliche Anwendungsbeispiele für den Gewindebohrer finden sich vorzugsweise in der Großserienfertigung der Automobilindustrie, zum Beispiel Motorblöcke, im Getriebebau, bei Einspritzsystemen, Gehäusen (Guss und Aluminium) und Haushaltsgeräten, zum Beispiel Waschmaschinen.

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Hier ein Anwendungsbeispiel: Ein Automobilzulieferer fertigt circa 100.000 Motorblöcke im Jahr aus dem Material GG25. Gebohrt wurden Grundlochgewinde M8 × 1,25 mit einer Tiefe von 2,5 × D. Der bisher eingesetzte HSS-E-Gewindebohrer erbrachte eine Standmenge von 18.450 Gewinden. Mit dem XChange konnte eine Standmenge von 117.670 Gewinden erreicht werden. Das entspricht einer Steigerung von mehr als 500 %. Die Leistungssteigerung gegenüber einem einteiligen VHM-Gewindebohrer betrug immerhin noch 33 % (siehe Grafik). Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung ergab eine Reduzierung der Werkzeugkosten pro Gewinde mit dem XChange gegenüber HSS-E von 50 % und gegenüber VHM von 20 %.

Die Applikation entscheidet

Schon vor längerem wurde der modulare Gewindeformer HPF (High Performance Forming) entwickelt. Dieses Werkzeug hat sich in der Praxis erfolgreich bei der Stahlbearbeitung bewährt und zur signifikanten Senkung der Fertigungskosten beigetragen.

Was ist nun wirklich besser: Gewindebohren oder Gewindeformen? Abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff und von der Gewindeabmessung haben beide Verfahren ihre individuellen Stärken. Man muss sie nur kennen und nutzen. Dabei helfen die Anwendungsexperten von LMT Tools.

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