Mikrozerspanung mit Langdrehmaschinen Lösungen für die Mikrozerspanung im Überblick

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Außendurchmesser von 0,1 Millimeter, Einstiche von 0,5 Millimeter und Vorschübe von 5 Mikrometer – willkommen in der Welt der Mikrozerspanung! Dazu zählen u. a. Schrauben für Hörgeräte, Wuchtgewichte für die automatische Armbanduhr oder Kleinstdrehteile für medizinische Baugruppen. Zum Herstellen solcher Teile benötigt man Know-how, präzise Maschinen und spezielle Werkzeuge.

Horn bietet komplette Werkzeuglösungen für die Anwender.
Horn bietet komplette Werkzeuglösungen für die Anwender.
(Bild: Horn/Sauermann)

Bei Spantiefen von bis zu 0,01 Millimeter stellen Anwender sehr hohe Anforderungen an die eingesetzten Werkzeuge. Darunter zählen glänzende Oberflächen und eine hohe Maßhaltigkeit der Bauteile durch geringen Schnittdruck. Die Paul Horn GmbH hat mit dem μ-Finish-System für die Mikrozerspanung sowie mit weiteren Werkzeugsystemen und Fertigungsprozessen für Langdrehmaschinen passende Lösungen entwickelt. Die Anforderungen an die Werkzeuge zur Mikrozerspanung mit Langdrehmaschinen sind hoch.

Durch die zum Teil sehr geringen Spantiefen müssen die Schneiden sehr scharf sein, um den Schnittdruck so niedrig wie möglich zu halten. Durch die schleifscharfen Schneidkanten steigt jedoch die Gefahr von Mikroausbrüchen. Schon ein kleiner Ausbruch im Bereich von wenigen Mikrometern an der Schneidkante wirkt sich negativ auf die bearbeitete Oberfläche des Werkstücks aus. Des Weiteren spielt die Oberflächengüte der Spanfläche eine entscheidende Rolle. Um Aufbauschneiden entgegenzuwirken, muss die Spanfläche gute Gleiteigenschaften vorweisen. Aus diesem Grund ist sie feinstgeschliffen oder poliert.

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Die Anforderungen an Werkzeuge zur Mikrozerspanung mit Langdrehmaschinen sind hoch.

So müssen die Schneiden beispielsweise durch die zum Teil sehr geringen Spantiefen sehr scharf sein, um den Schnittdruck so niedrig wie möglich zu halten.

Horn hat mit dem μ-Finish-System für die Mikrozerspanung sowie mit weiteren Werkzeugsystemen und Fertigungsprozessen für Langdrehmaschinen passende Lösungen entwickelt.

Wechselgenauigkeit von 2,5 Mikrometern

Das Klemmen der Schneidplatten ist ein weiterer wichtiger Punkt bei der Werkzeugauslegung. Bei der Bearbeitung von Drehteilen mit kleinen Durchmessern muss die Spitzenhöhe des Werkzeugs exakt vermessen sein. Schon kleinste Abweichungen in der Spitzenhöhe wirken sich beim Bearbeiten von kleinsten Durchmessern negativ auf die Qualität des Werkstücks aus. Im besten Fall sollte der Maschinenbediener die Wendeschneidplatte drehen können, ohne die Spitzenhöhe neu einstellen zu müssen. Horn bietet mit dem μ-Finish-System Wechselgenauigkeiten von ± 0,0025 Millimeter beim Drehen der zweischneidigen Platte. Dies ermöglicht der präzise Umfangsschliff der Schneidplatte in Verbindung mit dem stabilen Plattensitz. Darüber hinaus sind die Anlageflächen des Quadratschaft-Werkzeughalters ebenfalls geschliffen, was sich auf die ganzheitliche Präzision des Werkeugsystems auswirkt.

Der Schliff einer scharfen und makellosen Werkzeugschneide erfordert viel Know-how. Schleifscheiben mit feinsten Körnungen, spezielle neue Schleiftechniken und ein Mikroskop mit 400-facher Vergrößerung sind nötig, damit das Werkzeug im späteren Einsatz die geforderte Leistung bringt. Dabei unterliegt jede gefertigte Charge des μ-Finish-Systems einer 100-Prozent-Kontrolle. Wichtige Kriterien der Qualitätssicherung sind die eng tolerierte hohe Oberflächengüte der Span- und Freiflächen, die Spitzenhöhe und insbesondere die Schartigkeit der Schneidkante. Hierbei gilt: Optisch erkennbare Unregelmäßigkeiten an der Schneidkante sind bei dem μ-Finish-System schon außerhalb der Toleranz.

WISSENSFORUM ZERSPANUNG

Branchentreff für Praktiker und Entscheider

Antworten auf aktuelle Herausforderungen in der Zerspanung geben führende Werkzeughersteller, namhafte Maschinenbauer und Forschungseinrichtungen auf dem Wissensforum des MM Maschinenmarkt. Erleben Sie ein spannendes Programm rund um Vorträge und Workshops zu aktuellen Trends, die Ihre Prozesse auf ein neues Level heben. Die Veranstaltung richtet sich branchenübergreifend an Fach- und Führungskräfte aus produzierenden Unternehmen, Werkzeug- und Maschinenherstellern, Dienstleistern im Zerspanungsbereich sowie Hochschulen & Forschungseinrichtungen.

Horn zeigt sich auch für alle gängigen Langdrehoperationen als Komplettanbieter. Das umfangreiche Schneidplattenportfolio lässt sich leicht an die Anforderungen verschiedener Prozesse beim Langdrehen anpassen. Es entstanden mit den Unternehmen Graf Werkzeugsysteme, Boehlerit und W&F Werkzeugtechnik enge Partnerschaften, um auch Lösungen für die Schnittstellen zwischen der Schneidplatte und der Maschine sowie den Bereich ISO-Werkzeuge anzubieten.

Das Know-how von Horn bezieht sich nicht nur auf die Schneidwerkzeuge. Der Werkzeughersteller unterstützt seine Kunden und Partner auch mit dem Wissen um die korrekte Anwendung und die Entwicklung neuer Werkzeugsysteme und Fertigungsprozesse für Langdrehoperationen. Dazu zählen beispielsweise Kompetenzen bei angetriebenen Aggregaten, Werkzeughalter für die Rückseitenbearbeitung und ganze Werkzeugkammlösungen. Horn zeigt auf der AMB in Stuttgart unterschiedliche Werkzeuglösungen sowie eine neue Geometrie speziell zum Langdrehen.

Mikrobearbeitung in Großserie

Für ein Drehteil aus der Elektronikbranche fertigt ein Anwender eine Steckverbindung aus dem Werkstoff Arcap AP 1 D, eine Automaten-Cu-Ni-Zn-Legierung mit Bleizusatz (CuNi25Zn12Pb1). Das Bauteil hat eine Länge von 5,8 Millimeter und Durchmesser von 0,7 bis 1,8 Millimeter. Von dem Werkstück fertigt das Unternehmen rund 150.000 Stück pro Jahr. Vor der Umstellung auf die Horn-Werkzeuge fertigte das Team die Bauteile auf alten kurvengesteuerten Langdrehautomaten. Das Problem bei dem Bauteil war der eingesetzte Werkstoff. Dieser ist vergleichsweise weich. Dies führte durch das Kopieren des 0,2 Millimeter tiefen Werkstückprofils zu minimalen Gratbildungen an den Kanten und zu einem kleinen „Butzen“ beim Abstechen. Ein weiteres Problem waren leichte Beschädigungen an den Oberflächen. Diese kamen von der Maschinenhülse beim Langdrehen. Die Gratfreiheit, die Oberflächengüte und die gute Abstechfläche sind wichtige Kriterien des Drehteils.

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Für die Lösung dieser Probleme verlagerte der Kunde den Zerspanprozess auf den CNC-gesteuerten Langdrehautomaten Tornos SwissNano. Diese Maschine ist speziell für die Zerspanung von Mikrobauteilen mit einer hohen Präzision konzipiert. Das Profil des Werkstücks sollte nicht mehr kopiert, sondern mit einem Einstich gefertigt werden. Werkzeugseitig kam schließlich das Horn-Stechsystem S274 zum Einsatz. Die Mikrogeometrie der Schneidkante ist schleifscharf. In Verbindung mit der geschliffenen Spanleitstufe konnte eine prozesssichere Spankontrolle erreicht werden. Des Weiteren konnte das Werkzeugsystem mit höheren Schnittwerten eingesetzt werden. Die Standzeit der zweischneidigen Platte steigerte sich auf 45.000 Einstiche. Die Form der Wendeschneidplatte ist präzisionsgeschliffen. Die Formtiefe beträgt 0,2 Millimeter. Zum Anfasen der Werkstückkanten sind die definierten Innenradien von 0,05 Millimeter geschliffen.

Die Bearbeitung des Drehteils gestaltet sich wie folgt: Langdrehen des ersten Durchmessers von 0,7 Millimeter. Danach folgt das Vordrehen der Fläche für den späteren Formeinstich auf den Durchmesser von 1,46 Millimeter. Aufgrund des Längen-/Durchmesserverhältnisses, dem weichen Werkstoff und dem Schnittdruck wird der Durchmesser mit 0,06 Millimeter Aufmaß gedreht. Für das Stechen mit der breiten Formschneidplatte sind unterschiedliche Vorschübe programmiert. Beim Anfahren schneller und beim Einstechen etwas langsamer, damit ein Wegdrücken des Werkstücks verhindert wird. Bei der vollen Einstechtiefe auf den Durchmesser 1,4 beziehungsweise 1,2 Millimeter programmierte der Maschinenbediener eine Verweilzeit von einer halben Sekunde. Beim Einstechen mit einer breiten Schneide an einem kleinen Durchmesser entsteht ein hoher Schnittdruck. Es kann somit passieren, dass das Werkstück ein wenig weggedrückt werden kann.

Den Werkzeugträger hat Horn so optimiert, dass man mit einem speziellen Gewinde das Werkzeug um Winkelminuten verstellen kann. Damit kann einer eventuell leicht kegeligen Abweichung der Durchmesser mit einem Vorhaltewinkel entgegengewirkt werden. Das Abstechen des Werkstückes übernimmt ebenfalls eine Schneidplatte des Typs S274.

Werkzeugüberwachung in Echtzeit

Darüber hinaus hat Horn in enger Zusammenarbeit mit der Kistler Gruppe die weltweit einzigartige Lösung zur Echtzeit-Werkzeugüberwachung von Drehbearbeitungen weiterentwickelt. Kistler ist Weltmarktführer für dynamische Messtechnik zur Erfassung von Druck, Kraft, Drehmoment und Beschleunigung. Das Piezo Tool System (PTS) besteht aus einem Kraftsensor, welcher in das Drehwerkzeug präzise eingebaut wird und Aufschluss über den Zustand des Werkzeuges während der Bearbeitung gibt. Es erlaubt die Messung von Kräften ab wenigen Newton. Die Abtastrate liegt standardmäßig bei 10.000 Hz. Dies bietet die Möglichkeit, auch kleinste Zerspankräfte zu messen. Der Maschinenbediener kann so fehlerhafte Materialien und Schneidstoffe oder auch einen Werkzeugbruch sofort erkennen. Die Folge ist ein minimaler Ausschuss bei hoher Qualität. Des Weiteren kann der Anwender die Standzeit der eingesetzten Werkzeuge gezielt ausfahren. Horn bietet die sensorüberwachten Werkzeughalter als Quadratschaft-Drehhalter, als Lineareinheit für Citizen-Langdrehmaschinen und als einen Grundhalter für Index-Mehrspindler sowie für das Werkzeugsystem Supermini an. Weitere Schnittstellen für andere Maschinenhersteller sind in der Entwicklung.

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