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Werkzeuge

Schneidgeometrien gut in Form

13.07.2007 | Autor / Redakteur: Lothar Handge / Rüdiger Kroh

Die Multi-Edge-Double-8-Wendeplatte eignet sich für die wirtschaftliche Schruppbearbeitung von Gusswerkstoffen. Bild: Fette
Die Multi-Edge-Double-8-Wendeplatte eignet sich für die wirtschaftliche Schruppbearbeitung von Gusswerkstoffen. Bild: Fette

Um den Anforderungen an heutige Werkzeuge gerecht zu werden, müssen Schneidstoffe, Beschichtungen und Schneidgeo-metrien immer mehr optimiert werden. So steigern Wendeplatten mit insgesamt 16 Schneidkanten die Vorschubwerte oder eine spezielle Geometrie sorgt bei einem Bohrer für eine schnelle und sichere Spanabfuhr.

Kurze Bearbeitungszeiten, höchste Genauigkeiten und Oberflächenqualitäten, gesteigerte Standzeiten und beste Prozesssicherheit – von den Herstellern spanender Werkzeuge wird nicht selten die Quadratur des Kreises verlangt. Und tatsächlich scheinen sie dem Ziel mit jeder neuen Entwicklung wieder ein Stück näher zu kommen. Mit neuen Werkstoffen und Beschichtungen oder ausgeklügelten Geometrien lassen sich die Grenzen immer noch ein weiteres Stück verschieben.

Ein Beispiel dafür sind zwei neue Produkte der Fette GmbH, Schwarzenbek, die auf der EMO vorgestellt werden. „Mit dem Vollhartmetall-Kopierfräser Flatball ist ein deutlicher Entwicklungsschritt in Richtung Kostensenkung innerhalb seiner Hauptanwendung im Werkzeug- und Formenbau gelungen“, meint Dr. Marc Fleckenstein, Leiter Produktmanagement und Marketing. „Sein besonderes geometrisches Merkmal ist die Stirnschneidengeometrie, die aus zwei Halbkreisen besteht und zwar in der Art, dass der kleinste Schnittkreisdurchmesser immer2 mm beträgt.“

Damit werde vermieden, dass das Schneidenzentrum mit der ungünstigen Schnittgeschwindigkeit 0 arbeitet. Dieser Vorteil ermöglicht laut Fleckenstein eine deutliche Verschleißminderung im Schneidenzentrum bei gleichzeitig verringerter Wärmeentwicklung und führt so zu einer Erhöhung der Standzeit bei gesteigerter Prozesssicherheit. Darüber hinaus seien im Vergleich zu herkömmlichen Kugelkopierfräsern bei gleicher Oberflächenqualität größere Zeilensprünge beim Profilschlichten und damit deutlich verringerte Fräszeiten erreichbar.

Hochleistungsmesserköpfe zur Schruppbearbeitung

Die Entwicklung von Hochleistungsmesserköpfen zur wirtschaftlichen Schruppbearbeitung von Bauteilen aus der Automobilindustrie, wie Motorblöcken oder Zylinderkurbelgehäusen – vorzugsweise aus Gusswerkstoffen –, war ein anderes Innovationsziel. Ergebnis sind die neuen Multi-Edge-Double-8-Wendeplatten mit insgesamt 16 Schneidkanten (acht auf jeder Plattenseite). Dr. Fleckenstein dazu: „Sie ermöglichen trotz geringerer axialer Zustellwerte von maximal 3 mm bei 12,7 mm Plattengröße erheblich gesteigerte Vorschubwerte und leisten damit einen großen Beitrag zur Produktivitätssteigerung.“

Aufgrund der geringeren Axialkräfte ist selbst beim Schruppen eine größtmögliche Ebenheit der bearbeiteten Oberflächen bei geringen Rautiefen (Rz < 15 µm) gewährleistet. Diese Leistungsmerkmale sind auch für die Schlichtbearbeitung nutzbar, indem die Wendeplatten mit einer Breitschlichtgeometrie versehen wurden. Dadurch halbiert sich zwar die Anzahl der nutzbaren Schneiden, die hohen Vorschubwerte können jedoch unverändert realisiert werden, und das bei einer Schlichtqualität von Rz < 10 µm.

„Die Bearbeitung von Aluminium gewinnt stetig an Bedeutung“, konstatiert Bert Bleicher, Sprecher der Münchener Hoffmann Group. Eine der Herausforderungen beim Zerspanen von Aluminium besteht darin, die Späne sicher abzutransportieren. Mit dem Garant-Vollhartmetall-4-Fasenbohrer HPC präsentierte man kürzlich ein Präzisionswerkzeug mit hydrostatischer Lagerung, das für Stabilität und deutlich geringeren Verschleiß im Hochleistungsbohren von Aluminiumwerkstoffen sorgt. Eine spezielle Geometrie mit dynamisch wirkenden Spanräumen, leicht gefasten Hauptschneiden, ein Spitzenwinkel von 140° sowie die TiAIN-Beschichtung ermöglichen eine schnelle und sichere Spanabfuhr.

Die Innovation sind vier stirnseitig und axial austretende Kühlkanäle, die während des Bearbeitens für eine hydrostatische Lagerung sorgen. Dazu wird der Bohrer mit mindestens 25 bar Druck am ganzen Umfang geflutet. So entsteht ein Schmierfilm zum Werkstück, der eine zentrale Führung des Bohrers ohne große Reibungswiderstände gewährleistet. Bert Bleicher: „Diese besondere Lagerung garantiert eine optimale Rundlaufgenauigkeit und sehr hohe Stabilität – und damit niedrigsten Verschleiß.“

In Praxistests überzeugte der HPC-Bohrer beim Bearbeiten von ALMg3 durch kurze Bruchspäne und sicheren Spantransport. Und das bei Schnittgeschwindigkeiten von 350 bis 400 m/min, einem Vorschub von 0,55 mm und Drehzahlen von 15 000 min–1. Dazu kommen sehr enge Bohrungstoleranzen und hohe Oberflächengüten.

Nach Kurt Brenner, Leiter Technik und Produktion bei der Iscar Germany GmbH, Ettlingen, waren und sind die HSC-/HPC-Bearbeitungen und die dazugehörigen Werkzeugfamilien der Reihe FMR (Fast Metal Removal) der Maßstab, um die Produktivität nachhaltig zu steigern: „Damit alle Kunden davon profitieren können, haben wir nicht nur Werkzeuge entwickelt, die auf modernen CNC-Maschinen mit hohen Spindeldrehzahlen und Spindelleistungen ihre Vorteile ausspielen können, sondern unsere Werkzeuge wurden auch für die vielen bei unseren Kunden verfügbaren Maschinen abgestimmt“.

Sonderwerkzeuge steigern Produktivität

Bei Iscar sieht man die aktuellen Entwicklungstrends nicht nur in den Bereichen Schneidstoff und Beschichtung, sondern auch in der Entwicklung von neuen Geometrien und Werkzeugen. Brenner weiter: „Ein wesentlicher Beitrag zur Steigerung der Produktivität lässt sich zum einen mit Hilfe von Sonderwerkzeugen erreichen, zum anderen mit der Bereitschaft zur Veränderung der Bearbeitungsstrategie sowie mit dem Einsatz von Werkzeugen, die neben der Hauptzeit auch die Nebenzeit deutlich reduzieren.“

„Aus Sicht der Werkzeughersteller ist es wichtig, dass die Werkzeuge als Teil des gesamten Fertigungsprozesses gesehen werden. Entscheidend dabei ist, nicht in erster Linie den Preis für die Beschaffung der Werkzeuge zu sehen, sondern die Gesamtkosten des Prozesses sorgfältig zu analysieren.“ Dr. Dieter Kress, Geschäftsführender Gesellschafter der Mapal Dr. Kress KG in Aalen plädiert mit diesen Worten für eine TCO-Betrachtung (Total Cost of Ownership) auch im Werkzeugsektor. Werkzeugverbundene Kosten in Fertigungsprozessen können sich auf bis zu 9% belaufen. Ihr Einfluss auf die restlichen 91% des Prozesses ist jedoch ebenfalls beträchtlich.

An Beispielen für den Nutzen von TCO-Betrachtungen mangelt es nicht. So ließen sich in einem Fall durch Verringerung der Arbeitsschritte und dem damit einhergehenden Wegfall eines dritten Werkzeugs die geplanten Investitionen in Bearbeitungszentren reduzieren und damit Einsparungen in Höhe von 2,4 Mio. Euro erzielen. Bei einem anderen Kunden konnte man durch den Austausch eines herkömmlichen Planfräsers gegen den teureren, aber wesentlich schnelleren Planfräser HP-FaceMill die Bearbeitungszeit drastisch verringern und so 33 000 Euro im Jahr einsparen.

Tangentiale Einbaulage von Wendeschneidplatten bringt Vorteile für das Schnittverhalten

Die tangentiale Einbaulage von Wendeschneidplatten bringt große Vorteile für das Schnittverhalten von Präzisionswerkzeugen. Die Stabilität wird erhöht, hochpositive Spanwinkel ergeben einen weichen, ruhigen Schnitt und die benötigte Antriebsleistung an der Maschinenspindel reduziert sich. So können mehrschneidige Werkzeugsysteme zum Bearbeiten von Bohrungen realisiert werden, die rationell und produktiv sind. Mapal entwickelte aus diesen Erkenntnissen heraus die Baureihen TSW (Tangential-Schruppwerkzeuge zur Vorbearbeitung) und TFB (Tangential-Feinbohrwerkzeuge zur Fertigbearbeitung von Bohrungen).

Bei der Bearbeitung eines Zylinderkurbelgehäuses aus G-AlSi6 für einen V12-Motor werden die Zylinderbohrungen mit einem TSW-Werkzeug vorbearbeitet. Das im Rennsport eingesetzte Gehäuse wurde bisher sehr aufwändig mit einem 2-schneidigen Ausspindelwerkzeug mit entsprechend langsamen Vorschubwerten bearbeitet. So dauerte die Bearbeitung der Zylinderbohrungen eines V12-Motorblocks insgesamt 60 Minuten. Mit den TSW-Werkzeugen konnte die Bearbeitungszeit auf 5 Minuten reduziert werden.

Mit gleichmäßiger Vorschubgeschwindigkeit 1 000 mm/min werden die Zylinderbohrungen mit einer Schnittgeschwindigkeit von 260 m/min bearbeitet. In die eingesetzten Wendeschneidplatten mit jeweils sechs nutzbaren Schneidkanten sind Spangeometrien eingeschliffen, die für kurze Späne sorgen. So ist der gesamte Prozess optimiert und es werden in der Summe über 90% der Bearbeitungszeit eingespart.

Hartfeinbearbeitung verkürzt Durchlaufzeiten

Die Hartfeinbearbeitung mit geometrisch definierter CBN-Schneide hält verstärkt Einzug in die Fertigung. Kürzere Durchlaufzeiten im Vergleich zum Schleifen, geringere Stückkosten, hohe Bearbeitungsqualitäten sowie die Möglichkeit, die Bearbeitung komplett in einer Aufspannung durchzuführen, sind wichtige Argumente, mit denen die Hartfeinbearbeitung das Schleifen sukzessive ersetzt. Dabei sind die Anwendungsgebiete bei weitem nicht auf die Massenfertigung beschränkt. Gerade bei kleineren Losgrößen, bei denen teure Schleifoperationen stark in die Stückkosten eingehen, kann die Hartfeinbearbeitung große Einsparpotenziale freisetzen.

Für das Hartdrehen bietet Mapal ein spezielles Programm von Schneidplatten mit Spannkerbe an. Die Drehhalter mit Pratzenklemmung und eine sehr breite Auswahl an CBN-Schneidstoffen und Schneidplattengeometrien sind die Basis für wirtschaftliche Resultate. Die Spannpratze drückt die Schneidplatte in den Plattensitz und ist breit ausgeführt, um eine hohe Steifigkeit zu erreichen. Vibrationen werden minimiert, indem die Spannkerbe möglichst nahe an der Schneidkante eingebracht ist. Das Gesamtsystem erreicht so eine sehr stabile und vibrationsfreie Bearbeitung, mit dem Resultat von beträchtlich höheren Standzeiten. Um die Wirtschaftlichkeit weiter zu steigern, kann die Schneidplatte mit drei CBN-Schneidkanten ausgeführt werden. Die Wiper-Geometrie in Verbindung mit der sehr stabilen Mapal-Lösung erlaubt bei gleichen Oberflächenresultaten einen deutlich höheren Vorschub.

Eingesetzt wird das System beispielsweise für das Vor- und Fertigdrehen des Lagersitzes (Durchmesser 45 mm) und des Übergangs zur Planfläche an einem Allradwellenflansch aus 38MnVS5 (50 bis 55 HRC), bei dem die Oberflächengüte mit Rz = 6,3 µm toleriert ist. Mit dem Mapal-System konnte der Vorschub deutlich erhöht und die Taktzeit auf 60 s und damit um 27% reduziert werden. Während das Wettbewerbswerkzeug mit zwei Schneiden für die Vor- und Fertigbearbeitung eine Standzeit von 400 Werkstücken, also 200 Werkstücken pro Schneidkante, erreichte, bearbeitet das Mapal-Hartdrehwerkzeug mit einer Schneide 800 Werkstücke fertig und danach weitere 800 Werkstücke vor. Setzt man die Standzeiten der beiden Werkzeuge in Korrelation zur Jahresproduktion und den Kosten pro Schneidplatte, so spart der Kunde rund 10 000 Euro pro Jahr bzw. 94% der Kosten für diese Hartdrehoperation.

Tigertec-Steel-Schneidstoffe um die Typen WPP01 und WPP05 ergänzt

Neue Schneidstoffe und Schneidgeometrien sorgen bei aktuellen Entwicklungen der Walter AG in Tübingen für Fortschritte beim Drehen. Das Sortiment der Tigertec-Steel-Schneidstoffe wurde um die Typen WPP01 und WPP05 ergänzt und deckt nun alle Aufgaben beim Drehen von Stahl – vom Schruppen über mittlere Bearbeitungen bis zum Feinschlichten – ab. Beide Sorten wurden für höchste Schnittgeschwindigkeiten bei guten Zerspanungsbedingungen konzipiert. Ein spezielles Hartmetallsubstrat und eine verbesserte Aluminiumoxidschicht sollen plastische Verformungen sowie Kolkverschleiß verhindern.

Mit besonders scharfer Schneidkante ist die Sorte WPP01 die Lösung für Schlichtaufgaben mit hoher Produktivität. Für mittlere Bearbeitungen sowie Schruppen ist der Schneidstoff WPP05 ausgelegt. Besonders interessant ist diese Sorte für den Automobilbereich, in dem kürzeste Bearbeitungszeiten verlangt werden, beispielsweise bei Near-Net-Shape-Schmiedeteilen mit Aufmaßen in Größenordnungen von 1 bis4 mm.

Außerdem hat Walter sein WPP-Wendeschneidplattenprogramm um acht positive Schneidengeometrien ergänzt. Die neuen Wendeplatten aus der Tigertec-Steel-Familie für das Drehen von Stahl sind hochpositiv. Die scharfen Schneiden sollen selbst bei schwingenden Bauteilen und extremen Auskragungen noch für einen relativ ruhigen und vibrationsarmen Schnitt sorgen und damit die Prozesssicherheit erhöhen. Sie eignen sich vor allem für geringe Spantiefen oder Fälle mit hohen Präzisions- und Oberflächenanforderungen.

Tieflochbohrer: Hohe Genauigkeit bei minimalem Zeitaufwand

Tieflochbohrungen mussten bisher mit mehreren Werkzeugen gefertigt werden und waren deshalb zeitaufwendig. Zudem war es oft schwierig, Genauigkeit und Prozesssicherheit zu garantieren. Um dies zu erreichen und gleichzeitig effizient und zeitsparend arbeiten zu können, entschied sich die Herbert Döring Werkzeugbau GmbH aus Pinneberg für den Garant-Tieflochbohrer 30×D der Hoffmann Group, München. Mit Hilfe dieses HPC-Bohrers konnte das Unternehmen bei der Fertigung einer Form für den Automobilbau mehr als einen Arbeitstag der Bearbeitungszeit einsparen.

Die Aufgabe bestand darin, in einen Formeinsatz für Stoßstangen 30 Kühlbohrungen von bis zu 300 mm Tiefe einzubringen. Die Form wurde aus 40CrMnNiMo8-6-4 (1.2312) gefertigt, einem eher schwer zerspanbaren Material mit hoher Festigkeit und relativ hohem Anteil an Chrom, das abrasiv gegenüber dem Zerspanungswerkzeug wirkt. Der Tieflochbohrer 30×D ist mit einer TiAIN-Beschichtung versehen und hat eine Warmhärte bis 900 °C. Die Besonderheit des Bohrers liegt in der extra polierten Beschichtung, die eine sehr glatte Oberfläche ergibt, so dass die Späne leichter abtransportiert werden. Den gleichen Effekt ergibt auch die dynamische Spanraumgeometrie.

„Solche Tieflochbohrungen haben wir bisher sehr zeitintensiv in mehreren Schritten mit verschiedenen HSS-Bohrern gefertigt. Mit dem Garant-Tieflochbohrer können wir das mit einem einzigen Werkzeug erledigen“, fasst Döring-Fertigungsleiter Matthias von Rönn zusammen. Pro Bohrloch wurde so die Fertigungszeit um rund 20 Minuten reduziert – bei 30 Tieflochbohrungen sparte Döring also insgesamt 600 Minuten.

„Damit hat sich bereits beim Bearbeiten eines solchen Werkstückes die Investition in das Werkzeug amortisiert“, resümiert Matthias von Rönn. Hinzu kommt ein wesentlich geringerer Aufwand beim Handling, weil der Transport zwischen den einzelnen Bearbeitungen entfällt.

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