Wirtschaftliche Hartzerspanung auf konventionellen Maschinen

Aufgrund der relativ geringen Werkzeugkosten kann die Hartbearbeitung auch auf konventionellen Maschinen bei vielen Werkstücken das Schleifen ersetzen. Zum Erzielen reproduzierbarer Ergebnisse, hoher...

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Aufgrund der relativ geringen Werkzeugkosten kann die Hartbearbeitung auch auf konventionellen Maschinen bei vielen Werkstücken das Schleifen ersetzen. Zum Erzielen reproduzierbarer Ergebnisse, hoher Werkzeugstandzeiten und geringer Fertigungskosten sind entsprechend optimierte Werkzeuge, geeignete Spannsysteme und eine ganzheitliche Prozessoptimierung erforderlich.Die Hartzerspanung stellt aufgrund der wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile bei einer Vielzahl von Bearbeitungsaufgaben eine interessante Alternative zum Schleifen dar und gewinnt deshalb in den Unternehmen zunehmend an Akzeptanz. Zur Erzielung höchster Anforderungen an die Qualität der Bauteile sind besondere Maschinen erforderlich, die sich unter anderem durch hohe Steifigkeit, spezielle Führungen und Lagerungen sowie durch hohe thermische Stabilität auszeichnen. Jedoch lässt sich auch mit konventionellen Maschinen ein großes Spektrum an Werkstücken mit der geforderten Genauigkeit reproduzierbar bearbeiten, wenn in Verbindung mit der Maschine die Werkzeuge, Fertigungsprozesse und Spannsysteme entsprechend abgestimmt werden. Die Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung (GFE) e. V. in Schmalkalden arbeitet seit Jahren auf dem Gebiet der Hartzerspanung. Insbesondere im Interesse der Anwenderindustrie erfolgte die Umsetzung der Ergebnisse umfangreicher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten [1 bis 6] auf konventionellen, also auf nicht speziell für die Bearbeitung gehärteter Werkstoffe ausgelegten Maschinen verschiedener Hersteller. Verfahrensseitig werden das Hartdrehen, das Hartfräsen und das Hartwirbeln einbezogen. Aufgrund erheblicher wirtschaftlicher Vorteile gewinnen in jüngster Zeit verschiedene Varianten des Hartfräsens auch bei der Bearbeitung rotationssymmetrischer Bauteile stark an Bedeutung. Bild 1 zeigt einige Bauteile, für die die Fertigungsprozesse einschließlich der zugehörigen Werkzeuge entwickelt und optimiert wurden.Die ersten Untersuchungen an geometrisch einfachen zylindrischen Werkstücken umfassten den Nachweis der prinzipiellen Realisierbarkeit des Hartdrehens und Hartfräsens auf konventionellen Maschinen sowie die Ermittlung geeigneter Zerspanparameter für verschiedene Werkstoff-Schneidstoff-Kombinationen, wobei als Beurteilungskriterien neben der Oberflächenrauheit (Rz kleiner gleich 3 µm) auch Gefügeveränderungen, Werkzeugstandzeit und Fertigungszeit dienten. Prozessbegleitend wurden weiterhin die Komponenten der Zerspankraft erfasst. Verwendet wurden Mischkeramik-Wendeschneidplatten und mit polykristallinem kubischem Bornitrid (CBN oder PKB) bestückte Schneidplatten. Maschinenseitig wurden eine CNC-Futterdrehmaschine Traub TND 300 sowie eine CNC-Fräsmaschine Maho MH 600 E eingesetzt.Werkstückoberflächen haben SchleifqualitätDiese grundlegenden Untersuchungen zeigten, dass bei Anwendung geeigneter Zerspanparameter und Schneidstoffe Oberflächen reproduzierbar in Schleifqualität erzeugt werden können und somit eine Substitution des Schleifens durch Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide auch auf konventionellen Maschinen möglich ist. Beim Hartdrehen im nicht unterbrochenen Schnitt wiesen aus Mischkeramik bestehende und CBN-bestückte Schneidplatten hinsichtlich Oberflächenrauheit und Standzeit vergleichbare Ergebnisse auf. Somit können für entsprechende Bearbeitungsaufgaben Mischkeramiken aufgrund des wesentlich geringeren Preises vorteilhaft eingesetzt werden. Es zeigte sich weiterhin, dass die Werkzeuggeometrie, und zwar die makro- und die mikrogeometrischen Kenngrößen gleichermaßen, einen signifikanten Einfluss sowohl auf die Oberflächenrauheit als auch auf die Standzeit ausüben. Einige unter Anwendung geometrisch verschiedenartig gestalteter Mischkeramik- und CBN-Schneidplatten erhaltene Ergebnisse zeigt Bild 2. Dargestellt sind die arithmetischen Mittenrauwerte in Abhängigkeit vom Schnittweg bei der Bearbeitung geometrisch einfach gestalteter zylindrischer Bauteile (d = 27 mm), bestehend aus dem Werkstoff 100 Cr 6 (60 bis 62 HRC). Im unterbrochenen Schnitt ließen sich unter Anwendung von Mischkeramik keine befriedigenden Ergebnisse erzielen [1, 3 und 7]. Beim Hartfräsen zeigte sich, dass bei der Zerspanung mit mehreren Schneiden im Interesse eines qualitativ hochwertigen Fertigungsergebnisses ein dreidimensional einstellbares Werkzeug verwendet werden sollte [2]. Toleranzen von 0,02 mm sind realisierbarAufbauend auf diesen Grundlagen erfolgte die Erarbeitung und Optimierung von Fertigungstechnologien vorwiegend für rotationssymmetrische Bauteile. Zunächst fürs Hartdrehen von Außengewinde (Werkstoff: 100 Cr 6, 60 bis 62 HRC, Nenndurchmesser d = 23 mm, maximaler Radius im Gewindegrund Rmax = 0,15 mm). Auch diese Untersuchungen wurden auf der CNC-Futterdrehmaschine Traub TND 300" realisiert. Um die am Nenndurchmesser geforderte Maßtoleranz von 0,02 mm gewährleisten zu können, erwies sich während der Zerspanung der Zusatz eines Kühlschmierstoffes als notwendig. Es wurde mit Schnittgeschwindigkeiten von vc = 150 bis 180 m/min gearbeitet. In Analogie zu den Grundlagenuntersuchungen konnten Gewinde reproduzierbar in Schleifqualität erzeugt werden. Die entscheidende Voraussetzung besteht auch hier in der Anwendung eines im Hinblick auf Schneidstoffmodifikation und Geometrie optimierten Werkzeuges. Die im einzelnen erhaltenen Ergebnisse sind nachfolgend erläutert.Bild 3a zeigt die mit sechs Werkzeugen mit verschiedenen Schneidstoffen und gleichartiger Geometrie erzielten Standwege. Eine Schneidstoffsorte wies eine besonders hohe Verschleißresistenz auf, so dass dafür detaillierte Untersuchungen zur Optimierung der Werkzeuggeometrie durchgeführt wurden. Die Ergebnisse sind in Bild 3b zusammengestellt. Wie zu erwarten war, wirken sich die Eigenschaften des Werkzeuges auch auf die Qualität der zu bearbeitenden Bauteile aus. Bild 4a zeigt die bei den verschiedenen Schneidstoffsorten aufgetretenen Maßabweichungen des Flankendurchmessers in Abhängigkeit vom Schnittweg. Während die sprunghaften Veränderungen auf Temperaturdifferenzen infolge längerer Stillstandszeiten der Maschine zurückzuführen sind, spiegelt der nahezu kontinuierliche, aber für die verschiedenen Modifikationen teilweise stark differenzierte Anstieg der Maßabweichung mit zunehmendem Schnittweg den fortschreitenden abrasiven Verschleiß wider. Ebenso wie bei der Maßabweichung des Flankendurchmessers ist der abrasive Verschleiß, der eine Erhöhung der Passivkraft zur Folge hat, anhand des in Verbindung mit dem verwendeten Spannsystem entstehenden Zylindrizitätsfehlers erkennbar (Bild 4b). Dieser weist ebenfalls mit zunehmendem Schnittweg bei einigen der erprobten Schneidstoffmodifikationen eine signifikante Vergrößerung auf. Naturgemäß ruft das verschleißresistenteste Werkzeug den geringsten Maß- und Formfehler am Werkstück hervor. Wie ebenfalls zu erwarten war, haben auch schon kleine Veränderungen der Werkzeuggeometrie signifikante Differenzen der Rauheitskenngrößen zur Folge (Bild 5). Beim Hartdrehen von Innengewinde wurden analoge Ergebnisse erzielt. Die Modifikation der Schneideinsätze erfolgte auf der in der GFE verfügbaren Maschinentechnik. Somit war und ist eine schnelle Umsetzung der im Zerspanprozess gewonnenen Erkenntnisse in Bezug auf die Werkzeugoptimierung gesichert [4 und 8].Die Untersuchungen zum Hartdrehen ließen weiterhin die Notwendigkeit eines der Bearbeitungsaufgabe angepassten Spannsystems deutlich werden. Bei Anwendung einer nicht optimierten Spannung erfolgt besonders während der Bearbeitung ring- oder rohrförmiger Werkstücke eine Übertragung der Spannkraft auf das zu bearbeitende Bauteil, was einen entsprechenden Formfehler zur Folge hat. Durch Anwendung einer plastischen Spannung konnte eine Rundheit der Bauteile von etwa 2 µm erreicht werden. Die plastische Spannung bewirkt eine Verteilung der Spannkraft am Werkstück und wurde im konkreten Fall durch eine Kunststoffeinlage realisiert. Bei Nichtanwendung der Kunststoffeinlage betrug der Rundheitsfehler bis zu 35 µm [4].Hartwirbeln von Gewinden ist besser als HartdrehenZum Hartdrehen von Gewinden sind in der Regel mehrere Schnitte notwendig, was mit einer relativ hohen Fertigungszeit verbunden ist. Deshalb forderte die Industrie ein Verfahren zur wirtschaftlichen und hochpräzisen Herstellung von Gewinden in gehärteten Werkstoffe. Hier bietet das Wirbeln entscheidende Vorteile. Bei diesem Verfahren erfolgt die Herstellung des Gewindes in einem einzigen Schnitt, was prinzipiell mit einer Reduzierung der Bearbeitungszeit verbunden ist. Auch die auf diese Weise erzeugten Oberflächen sind mit denen des Schleifens vergleichbar. Weiterhin ist beim Wirbeln ohne Zusatz eines Kühlschmierstoffes zu arbeiten. Außerdem erweist sich aufgrund der Spanbildungskinematik vor allem die geringe Werkstückerwärmung als Vorteil, so dass bei Trockenbearbeitung wesentlich höhere Maß- und Formgenauigkeiten als beim Hartdrehen erzielt werden können. Zum Hartwirbeln von Außengewinden sind Maschinen und Werkzeuge bereits kommerziell erhältlich sowie die Techniken bekannt. Beim Wirbeln von Innengewinden besteht jedoch speziell im Bereich der Hartzerspanung vor allem bezüglich Werkzeuggestaltung und technologischem Know-how noch Handlungsbedarf. Deshalb liegt ein Schwerpunkt der gegenwärtigen Forschungs- und Entwicklungstätigkeit auf der Erarbeitung komplexer Technologien zum Hartwirbeln von Innengewinden mit hohen Genauigkeitsanforderungen auf konventionellen Maschinen einschließlich der Bereitstellung der zugehörigen Werkzeuge bis hin zur Herstellung von Musterteilen und Kleinserien. Unter Anwendung dieser Fertigungstechnologie sind ein- und mehrgängige Gewinde aller Formen in einem weiten Durchmesser- und Längenbereich erzeugbar. Mit dem Ziel einer möglichst hohen Wirtschaftlichkeit erfolgt im Gegensatz zu bisher veröffentlichten Ergebnissen zum Innenwirbeln im Bereich kleinerer Durchmesser der Einsatz mehrschneidiger Werkzeuge, wodurch die Fertigungszeit nochmals drastisch reduziert werden kann. In Abhängigkeit von Gewindeform und Nenndurchmesser lässt sich die Fertigungszeit im Vergleich zum Hartdrehen um bis zu 500% reduzieren. Schneidstoffseitig erfolgte in Analogie zum Hartdrehen die Erprobung von CBN-Modifikationen verschiedener Hersteller. Es wurden Gewinde ohne und mit zusätzlicher Schnittunterbrechung erzeugt. Die Schnittgeschwindigkeit betrug in Abhängigkeit vom Werkzeugdurchmesser vc = 350 bis 500 m/min, was bei der Bearbeitung gehärteter Stahlwerkstoffe durchaus dem Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zuzuordnen ist. Auch bezüglich des Hartwirbelns von Außengewinden erfolgten grundlegende Untersuchungen zur Erprobung neuer Schneidstoffe und die Herstellung verschiedenartiger Musterteile (Bild 1). Ebenso wie beim Hartdrehen wurden der Werkzeugzustand und die Werkstückqualität beurteilt. Verwendet wurde die CNC-Futterdrehmaschine Traub TND 300. Standzeit beim Wirbeln ist länger als beim DrehenIm Rahmen der bisher durchgeführten Untersuchungen sind an den Werkzeugen keinerlei Veränderungen sichtbar. Dies bestätigt die Erwartung, dass aufgrund der günstigeren Eingriffsverhältnisse sowie der höheren Anzahl von Schneiden ein wesentlich größerer Standweg als beim Hartdrehen erreicht werden kann.Die Toleranzen der am Gewinde zu erzeugenden Radien und der Gewindetiefe betrugen beispielsweise im Durchmesserbereich von D = 20 bis 40 mm jeweils 0,02 mm und konnten beim Hartwirbeln problemlos eingehalten werden. Bezüglich der Rauheitskenngrößen wurde nachgewiesen, dass die Drehzahl des Werkstückes einen signifikanten Einfluss ausübt. Während zum Beispiel bei einer Werkstückdrehzahl von nws = 10 min-1 arithmetische Mittenrauwerte von Ra = 0,4 µm reproduzierbar erzielt werden konnten, betrugen diese Werte bei einer Drehzahl des Werkstückes von nws = 100 min-1 Ra = 1 bis 1,2 µm (lc = 0,08 mm). Rein visuell war hier eine raue, schuppige Struktur erkennbar. Somit ist die Werkstückdrehzahl in Abhängigkeit von der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe zu wählen, damit die geforderte Werkstückqualität erreicht werden kann.Literatur:[1]Patz, M.: Drehen statt Schleifen. Werkstatt und Betrieb 12/1995, S. 1052-1056.[2]Patz, M.: Fräsen statt Schleifen. Werkstatt und Betrieb 3/1996, S. 128-130.[3]Patz, M., und H. Dittmar: Effektiv hartzerspanen mit Mischkeramik. Werkstatt und Betrieb 9/1997, S. 820-825.[4]Patz, M., H. Dittmar, A. Heß und W. Wagner: Mit optimiertem Werkzeug besser hartzerspanen. Industrie Diamanten Rundschau 3/1999, S. 248-255.[5]Patz, M., H. Dittmar, und J. Schuster: Hartwirbeln ersetzt das Schleifen beim Fertigen von Innengewinden. Maschinenmarkt 33/2000, S. 36-41.[6]Patz, M.: Hochgeschwindigkeitsfräsen von Gewinden und Konturen in gehärtete Werkstoffe - Werkzeugkonzepte, Technologien und Anwendungsbeispiele. 8. Österreichische HSC-Tagung, Steyr, 15. und 16. Juni. 2000. [7]Patz, M., F. Barthelmä, A. Heß und P. Preiß: Feinbearbeitung gehärteter Stahlwerkstoffe mit geometrisch bestimmter Schneide. 4. Österreichische HSC-Tagung : Chancen und Möglichkeiten der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, Steyr, 20. und 21. Juni 1996. [8]Patz, M., und H. Dittmar: Die Suche nach dem Optimum. Betrieb & Meister 12/1998, S. 18.