Kombinationswerkzeuge senken Fertigungskosten

In der Serienfertigung kommt es zwar mehr denn je auf niedrige Stückzeiten an, aber genau so wichtig ist ein sicherer Fertigungsprozess, besonders für eines der schwierigsten Fertigungsverfahren: die...

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In der Serienfertigung kommt es zwar mehr denn je auf niedrige Stückzeiten an, aber genau so wichtig ist ein sicherer Fertigungsprozess, besonders für eines der schwierigsten Fertigungsverfahren: die Gewindeherstellung. Optimal ausgelegte Kombinations- und Gewindefräswerkzeuge senken die Bearbeitungszeiten und gewährleisten hohe Prozesssicherheit.Vielfach werden Gewinde in der heutigen Serienfertigung immer noch mit herkömmlichen Gewindebohrern oder Gewindeformern hergestellt. Diese Werkzeuge setzen eine Kernbohrung voraus. Besonders schwierig ist es, ein Sacklochgewinde herzustellen. Hinzu kommt, dass insbesondere bei der Gewindeherstellung durch Gewindebohrer in Sacklöchern ein Spanwurzelrest stehen bleibt, der sich im eingebauten Zustand lösen und zu Störungen des Bauteiles führen kann.Solche Probleme lassen sich durch zirkulares Gewindefräsen mit einem Gewindefräser oder Bohrgewindefräser vermeiden, weil die Kurzspanbildung beim Fräsen keine Spanwurzelreste entstehen lässt. Außerdem kann durch das Gewindefräsen ein Gewinde bis auf einen Sicherheitsabstand von 0,1 mm bis zum Bohrungsgrund eingebracht werden. Darüber hinaus ist die Gewindeoberfläche beider Flanken eines gefrästen Gewindes gleich gut. Voraussetzung für das zirkulare Gewindefräsen ist allerdings eine NC-Werkzeugmaschine, die in drei linearen Achsen simultan steuerbar ist.Bohrbilder in einem Durchgang mit Mehrspindelkopf fertigenDer Gewindebohrer wird vor allem dort genutzt, wo an Werkstücken ganze Bohrbilder in einem Durchgang mit einem Mehrspindelkopf hergestellt werden und deren Gewindebohrungen nur einen geringen Mittenabstand zueinander haben.Die Antwort auf die Frage, welches Gewindeherstellverfahren wirtschaftlicher ist, hängt in erster Linie von der Herstellzeit und der Menge der Werkstücke beziehungsweise Gewinde ab. So ist es bei Umdrehungsfrequenzen ab 12 000 min-1 generell günstiger, beispielsweise ein Gewinde M10 mit einer Gewindetiefe von 20 mm in Aluminium durch Bohrgewindefräsen mit einem Kombinationswerkzeug herzustellen als durch Kernlochbohren mit einem Werkzeug und anschließend Gewindebohren mit einem zweiten Werkzeug.Der Trend zur Verkürzung der Herstellzeit durch hohe Umdrehungsfrequenzen und zur Trockenbearbeitung drängt die Teilehersteller immer mehr dazu, bei der Aluminiumbearbeitung Gewinde und komplexe Bohrungen mit Kombinationswerkzeugen zu bearbeiten. Besonders prädestiniert für die Aluminium-Trockenbearbeitung sind PKD-bestückte Werkzeuge, weil dieser Schneidstoff nur eine sehr geringe Affinität zu Aluminium hat. Aber auch Stahl- und Gusswerkstoffe lassen sich erfolgreich mit Cermet- oder CBN-bestückten Gewindefräsern bearbeiten.Hartmetall-Bohrgewindefräser haben sich bereits bewährtBohrgewindefräser aus Vollhartmetall sind bereits vielfach Standardwerkzeuge in der Serienfertigung. Für schwierigere Bearbeitungsaufgaben bieten sich aber optimierte Werkzeuge an, deren Geometrien mit Hilfe des Entwurfsprogramms Wap-CAD rechnerunterstützt ermittelt werden. Dies geschieht nach Eingabe von Gewindeart, Gewindedurchmesser, Gewindetiefe, Größe der Fase, Durchmesser, Tiefe der Schutzsenkung und Werkstückstoff.Bei der Berechnung des Gewindefräswerkzeugs greift das Programm auf eine Datenbank zurück, in der alle Daten des Gewindefräsers abgelegt sind. Der Entwickler braucht in der Regel nur noch kleinere Korrekturen vorzunehmen, zum Beispiel den Schaftdurchmesser an die Aufnahme des vom Anwender benutzten Werkzeughalters anzupassen oder einzugeben, ob das Werkzeug mit Innenkühlung ausgeführt werden soll.Für den Entwicklungsingenieur besonders interessante Fälle sind dann gegeben, wenn im Werkstück mehrere Gewindepositionen oder unterschiedliche Gewindedurchmesser gleicher Steigung vorliegen. Dann wird versucht, die notwendigen Funktionen in ein oder zwei Werkzeugen einzubeziehen, um mit möglichst einem Werkzeug mehrere gleiche Gewinde desselben Durchmessers oder mehrere Gewinde gleicher Steigung, aber mit unterschiedlichem Durchmesser zu erzeugen. Je mehr Funktionen in einem Werkzeug integriert sind, um so größer ist der Einspareffekt an Nebenzeiten. Das Ziel ist immer, dem Anwender durch ein kostenoptimiertes Werkzeug den größten Nutzen zu bieten. In allen Lösungsvorschlägen steht stets die Prozesssicherheit im Vordergrund, um über eine oder mehrere Schichten einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Denn ein sicher ablaufender Prozess ermöglicht eine mannärmere Fertigung und damit auch insgesamt kostengünstiger zu fertigen. Eine hohe Prozesssicherheit und eine höhere Gewindegüte sind mit ein Grund, weshalb Anwender zunehmend PKD-bestückte Gewindefräswerkzeuge bei der Aluminiumbearbeitung einsetzen. Hinzu kommt dabei: Der Schneidstoff PKD ist deutlich verschleißärmer als Hartmetall. Dadurch sind deutlich weniger Radiuskorrekturen bis zum Erreichen des Standzeitendes nötig im Vergleich zu einem Hartmetall-Gewindefräser. Außerdem können die Prüfintervalle bei PKD-Gewindefräswerkzeugen größer gewählt werden, das spart ebenfalls Kosten ein.PKD-Gewindefräswerkzeuge erreichen hohe StandmengenGewinde- und Bohrgewindefräser werden meist aus feinkörnigem Vollhartmetall mit einer Korngröße von etwa 0,7 µm hergestellt. Sie erbringen beispielsweise in Aluminiumlegierungen mit 8 bis 10% Siliziumanteil sichere Standmengen von 20000 bis 30000 Stück. Für höchste Schnittgeschwindigkeiten oder zur Verbesserung der Standmengen oder der Bearbeitbarkeit werden CBN- und PKD-bestückte Gewindefräswerkzeuge verwendet.Bei PKD-Gewindewerkzeugen liegen die Standmengen beim fünf- bis zehnfachen Wert. Aber nicht alle Werkstoffe eignen sich fürs Bohrgewindefräsen. Dies trifft für Stahlwerkstoffe zu. Das eigentliche Kriterium für die Verfahrensauswahl ist die Gewindelänge. Sehr lange Gewinde werden nach wie vor bevorzugt durch die klassischen Gewindeherstellverfahren gefertigt.Ein relativ einfaches Kombinationswerkzeug ist der Bohrgewindefräser mit einer Fas- und Senkstufe (Bild 1). Der Gewindeteil ist für metrische Gewinde M24 3 1,5 ausgelegt mit einer Einschraublänge von 14 mm. Außerdem hat das Werkzeug noch eine Wendeschneidplatte für eine 45°-Senkung mit anschließender großer 90°-Planfläche. Mit dem Werkzeug wird zunächst die Kernbohrung gebohrt, gleichzeitig wird die Fase an die Kernbohrung angebracht und die Plansenkung vorgenommen. Danach wird das Werkzeug etwas zurückgefahren und dann das Gewinde zirkular gefräst. Die Umdrehungsfrequenz beträgt 10 000 min-1, die Schnittgeschwindigkeit beim Bohren der Kernbohrung 690 m/min (bei einem Vorschub von 0,3 mm/min-1), die beim Gewindefräsen 502 m/min (Vorschub: 0,15 mm/Zahn). Für diese Arbeiten beträgt die Hauptzeit 5,5 s.In ein Filtergehäuse aus einer Guß-Aluminiumlegierung muss stirnseitig ein Sägegewinde S80 x 3 eingebracht werden. Hinzu kommen eine Eingangsbohrung mit einem Durchmesser von 80,1 mm und eine 45°-Ansenkung. Gelöst wurde diese Bearbeitungsaufgabe durch ein sogenanntes Vabos-Werkzeug. Ein solches Werkzeug besteht aus einem Halter, in den der mit vier PKD-Schneiden bestückte Gewindefräser im Durchmesser von 25 mm eingespannt wird.Zirkulares Gewindefräsen mit hoher DrehzahlZum Einbringen der Eingangsbohrung und der Fase sind am Umfang des Halterkörpers drei PKD-Schneiden eingelötet. Zum zirkularen Aufbohren der vorgegossenen Bohrung mit einem Vorschub von 0,1 mm/min-1 dreht das Werkzeug mit 10000 min-1 und die Schnittgeschwindigkeit beträgt 2500 m/min. Zum zirkularen Gewindefräsen mit einem Zahnvorschub von 0,06 mm und einer Schnittgeschwindigkeit von 1180 m/min wird die Umdrehungsfrequenz auf 15000 min-1 erhöht. Als Hauptzeit ergeben sich 8,8 s.Bei der Kostenbetrachtung werden die Kosten für das Herstellen eines Gewindes mit dem entsprechenden Gewindefräswerkzeug ermittelt und den Kosten für das herkömmliche Gewinden durch getrenntes Bohren, Senken und Gewindeschneiden mit entsprechenden Werkzeugwechselzeiten gegenübergestellt. In die Kostenrechnung gehen die Werkzeugkosten sowie die Arbeitsplatzkosten ein, also die Maschinen- und Personalkosten. Unter Berücksichtigung der Standmengen wird bei allen Wirtschaftlichkeits-vergleichen deutlich, dass die auf die Herstellung eines Gewindes bezogenen Werkzeugkosten eine untergeordnete Bedeutung haben. Die Werkzeugkosten verhalten sich gegenüber den Arbeitsplatzkosten (Maschinenstundensatz) wie 1 : 10.Wenn es also durch geschicktes Zusammenfassen von Operationen gelingt, Nebenzeiten einzusparen, dann werden unmittelbar Arbeitsplatzkosten eingespart. In der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung nicht berücksichtigt werden zum Beispiel mögliche Einsparungen durch geringere Lagerhaltungskosten, weniger Platzbedarf im Werkzeugmagazin oder durch geringeren Handhabungsaufwand für die Werkzeuge. Im günstigsten Fall kann bei rechtzeitiger Planung einer neuen Werkzeugmaschine durch Kombiwerkzeuge ein kleineres Werkzeugmagazin gewählt werden.