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Werkzeugbau: Neue Frässtrategie reduziert Bearbeitungszeit

Werkzeugbau
Neue Frässtrategie reduziert Bearbeitungszeit prozesssicher

Bis zu 40 % Zeitersparnis beim Fräsen ist das Resultat einer Prozessoptimierung, die der Werkzeug- und Formenbauer Zimmermann gemeinsam mit MMC Hitachi Tool erarbeitet hat.

Theo Drechsel
Fachautor in Unterschleißheim

Für die Produktion der gelben Telefonzellen stellte Zimmermann Formenbau in Gladenbach einst einen Rekord bei der Herstellung des größten Spritzgießwerkzeugs auf. Der 1886 als Gießerei- und Modellbaubetrieb gegründete Werkzeugbauer ist mit seinen 95 Mitarbeitern spezialisiert auf technisch anspruchsvolle, bis zu 50 t schwere Spritzgießwerkzeuge. Zum Portfolio zählen unter anderem Spritz-, Hinterspritz- oder 2K-Werkzeuge – auch mit Einlegetechnik –, die unterschiedlich aufgebaut sein können – etwa als Etagen-, Drehteller oder Umsetzungswerkzeug. Die Hessen verstehen sich als Full-Service-Anbieter und decken die gesamte Wertschöpfungskette ab. Neben der CAD-Konstruktion sowie dem Bau der Werkzeuge kann das auch die Prototypenphase umfassen. Für Abmusterung und Ausprobe stehen im hauseigenen Technikum zwei automatisierte Spritzanlagen mit bis zu 40.000 kN Schließkraft zur Verfügung, auf der auch Serienteile für Kunden produziert werden.

Bei Non-Automotive reicht das Produktspektrum vom Gartenstuhl bis zur Abfalltonne. Im Automotivbereich werden dagegen hauptsächlich große Teile wie Instrumententafeln, Stoßfänger oder Spoiler produziert. Als Beispiel zeigt Michael Neumann, bei Zimmermann Ansprechpartner für den Bereich Werkzeugbau, auf den hinteren Stoßfänger des Audi A6 C7 Allroad, der mit einem von den Hessen konstruierten und gebauten Werkzeug hergestellt wird.

Die Fräsbearbeitung zählt bei solchen Werkzeugen zu den Schlüsseltechnologien: Weil der Prozess ein entscheidender Kostenfaktor ist, soll das technisch Machbare stets ausgereizt werden. Zu den wichtigsten Stellschrauben gehören dabei – neben dem CAM-Bereich – die Zerspanwerkzeuge.

Auf der Suche nach der passenden Werkzeuglösung wurde Zimmermann auf MMC Hitachi Tool aufmerksam. Der Präzisionswerkzeug-Hersteller bietet an, Fräsprozesse vor Ort anhand konkreter Projekte zu optimieren.

„Gleich bei unserem ersten gemeinsamen Optimierungsprojekt mit MMC Hitachi Tool wollte ich ein Thema angehen, das mir unter den Fingern brannte“, erinnert sich Sören Leinweber; er verantwortet bei Zimmermann die CAM-Abteilung. „Trochoidalfräsen hatten wir bis dahin nicht eingesetzt, weil WorkNC dafür bis dahin nur eingeschränkte Möglichkeiten bot. Zudem hatten wir auch keine Werkzeuge dafür.“ Mit der neuen Schrupp- und Schlichtstrategie Waveform, über die WorkNC jetzt verfügt, habe sich das trochoidale Fräsen aber stark verbessert, so dass diese Bearbeitungsstrategie interessant wurde.

Scharfe Kanten sorgen für weichen Schnitt

Das Test-Werkstück – ein 230 mm x 115 mm x 115 mm großer Schieber aus dem Kunststoffformenstahl 40CrMnMoS8-6 (1.2312), der bislang auf einem 5-achsigen Fräszentrum des Typs DMC 75 V linear weich geschruppt und geschlichtet wurde – hatte auch ein Passmaß, das mit +0,05 mm toleriert war. Neben der komplexen Geometrie stand im Lastenheft eine möglichst kurze Bearbeitungszeit. MMC Hitachi erarbeitete ein Konzept und wählte fürs Schruppen einen EPSM-Vollhartmetall-Fräser, der sich aufgrund seiner Geometrie sehr gut fürs trochoidiale Fräsen einsetzen lässt.

Durch den positiven Schneidwinkel und die scharfe Schneidkante des VHM-Fräsers ergab sich ein stabiler Prozess mit einem weichen Schnitt und vergleichsweise geringen Kräften auf das Werkstück. Letzteres war besonders wichtig, weil der Schieber aufgrund seiner komplexen Geometrie schwierig zu spannen ist. Zudem ergaben sich gegenüber dem normalen Wendeplattenfräser deutlich weniger Schwingungen. Auch das war fürs prozesssichere Bearbeiten ein wesentlicher Vorteil. Um einen möglichst schwingungsfreien Prozesses zu realisieren, wurden die Werkzeugdurchmesser anhand der benötigten Einsatztiefen sowie Maschinenverhältnisse ausgewählt. Wichtig war dabei, dass die Werkzeugschneiden möglichst viele axiale Kontaktpunkte haben. Durch eine kurze Spankontaktzeit wird die Wärmeentwicklung in den Span abgeleitet und das Werkstück sowie das Werkzeug dadurch kühl gehalten. Das Ergebnis war eine hohe Standzeiten.

Beim Vorschlichten kamen die 4-schneidigen Kugelwerkzeuge der EHHB-Reihe zum Einsatz, die mit hohen Vorschüben gefahren wurden. „Ohne mit einem zusätzlichen Werkzeug die trochoidal erzeugten Treppen rausnehmen zu müssen, konnten wir direkt nach dem Schruppen mit den EHHB-Kugeln den Vorschlicht-Span fahren, damit wir nachher im Schlichtbereich ein konstantes Aufmaß haben”, erläutert Jens Thor, CAM-Spezialist von MMC Hitachi. Das wirke sich positiv auf Standzeit und Oberflächengüte beim Schlichten aus.

Das Feinschlichten erfolgte anschließend mit Kugelfräsern der HGOB-Serie. Durch die hauseigenen Beschichtungen – in diesem Fall eine PN-Beschichtung mit geringem Reibungskoeffizient – konnte eine hohe Oberflächengüte erzielt werden.

Kleiner Eckenradius reduziert Nacharbeit

Ursprünglich kam fürs Schruppen ein Werkzeug mit 35 mm Durchmesser und 17 mm Eckenradius zum Einsatz. Durch den jetzt deutlich kleinere Eckenradius von 8 mm sind die Frässpezialisten von Zimmermann beim Schruppen deutlich schneller geworden. Zudem hat sich der Aufwand für die Nachbearbeitung reduziert. Im Vergleich zu vorher ergab sich für den kompletten Prozess eine Zeitersparnis von 40 %.

„Ohne diese Vorortbetreuung wären wir beim Trochoidalfräsen nicht dort, wo wir heute stehen“, lobt Michael Neumann und berichtet, dass die gute Zusammenarbeit in einem weiteren Optimierungsprojekt mit einem Wendeplatten-Tonnenfräser der GF1-Reihe bestätigt wurde.



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