Präzisionswerkzeuge

Im Eilgang zur tiefen Nut

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Klassische Verfahren neu interpretiert und clever umgesetzt, eröffnen einige Optimierungspotenziale – etwa durch halbierte Prozesszeiten beim Fertigen schmaler Nuten. ❧

Mona Willrett

Totgesagt leben länger, heißt es. Das gilt offensichtlich auch für manche Fertigungsverfahren, deren Blütezeit längst vergangen schien. Neu gedacht und in einem modernen Umfeld eingesetzt, erwachen sie jedoch mitunter zu neuem Leben und bieten dann spannende Möglichkeiten. Beispiel gefällig? Speed-Forming, das von Horn im vergangenen Herbst auf der Stuttgarter Messe AMB vorstellte Verfahren, ist eigentlich nichts anderes als ein Hobelprozess.

Inspiriert durch Anfragen aus dem Werkzeug- und Formenbau entwickelten die Spezialisten des Tübinger Präzisionswerkzeug-Herstellers einen neuen Prozess, um schmale, tiefe Kavitäten herzustellen. Nuten mit einer Breite von 2 bis 3 mm und Tiefen bis 20 mm wurden bislang meist mit Minifräsern ausgearbeitet – mit geringer Zustellung und kleinen Vorschüben. „Sonst war die Gefahr eines Werkzeugbruchs zu groß“, begründet Markus Kannwischer.

„Als wir uns die Anforderungen genauer anschauten, kam uns die Idee, unsere Supermini-Stechwerkzeuge ähnlich wie beim Axialstechen die Nut abfahren zu lassen“, beschreibt der Geschäftsleiter Technik von Horn. Diese Supermini-Werkzeuge haben eine Besonderheit: Durch ihren tropfenförmig geformten Schaft sind sie in Belastungsrichtung besonders stabil und damit für diesen Einsatzzweck geradezu prädestiniert. „Das erlaubte uns ganz andere Vorschübe als beim Fräsen mit Minitools“, erläutert der Werkzeugspezialist.

Mittels Speed-Forming entstehen die unterschiedlichsten Nuten. „Neben Radien in beide Richtungen sind auch wellenförmige Kavitäten mit unterschiedlichen Tiefen machbar“, berichtet Kannwischer. Allerdings müsse die Maschine in der Lage sein, die gewünschte Bahn abzufahren.

Das höre sich zunächst zwar trivial an, sei aber mitunter gar nicht so einfach umzusetzen, fährt der Technikleiter fort. Der Grund dafür: Den Maschinen fehlen noch die nötigen Zyklen. Deshalb sei Horn bereits mit Maschinenherstellern im Gespräch, die die entsprechenden Ergänzungen in ihren Steuerungen implementieren wollen, so dass dann selbst anspruchsvolle Nutformen einfach herstellbar sein werden. Das Programmieren gerader Nuten stelle für erfahrene CNC-Techniker ohnehin keine Herausforderung dar.

Um wieviel effizienter und schneller Speed-Forming gegenüber dem klassischen Ausarbeiten mit Minifräsen ist, zeigt ein Beispiel aus der Versuchsabteilung von Horn: In ein Testwerkstück aus Automatenstahl wurden mehrere 150 mm lange, 2 mm breite und 10 mm tiefe Nuten eingebracht. Beim Vollnutfräsen vergingen 128 s, ehe eine Nut fertig war. Mit dem innovativen Hobelverfahren war die Nut bereits nach 59 s ausgearbeitet.

„Limitiert wird die Effizienz des Prozesses derzeit vor allem von der Dynamik der Maschinen“, betont Kannwischer. Beim Speed-Forming entspreche die Schnittgeschwindigkeit der Vorschubgeschwindigkeit. Nun lägen übliche Schnittgeschwindigkeiten bei 180 bis 200 m/min, der Eilgang heute gebräuchlicher Maschinen erreicht jedoch nur 50 bis 60 m/min. „Das heißt dass wir hier noch erhebliches Potenzial hätten, wenn die Maschinen dynamischer wären.“

Andererseits sind auch die Werkzeuge laut Kannwischer noch längst nicht am Ende ihrer Entwicklung angekommen. Insbesondere bei sehr tiefen Kavitäten sei die optimale Spanform für einen sicheren Abtransport aus der engen Nut noch nicht gefunden. Wichtig sei das insbesondere bei Hydraulikkomponenten. Gerade dort biete Speed-Forming gegenüber dem Fräsen jedoch einen zusätzlichen Vorteil: Im Zusammenhang mit Dichtflächen gilt hier oft die Vorgabe, dass es keine ansteigenden Mikroriefen in der Wandung geben darf, wie sie beim Fräsen entstehen. Denn durch sie könnte sich Hydrauliköl aus der Nut arbeiten und zu Leckagen führen. Weil das Speed-Forming-Werkzeug die Kontur gerade abfährt, besteht das Risiko hier nicht.

„Um die Späne zuverlässig aus der Nut zu spülen, die Werkzeugschneide zu kühlen und eine sichere Bearbeitung zu gewährleisten, ist bei unserem Verfahren eine Flutkühlung mit Emulsion wichtig“, betont der Prozessexperte. Ist das gegeben, seien Abtragsleistung und Prozesseffizienz deutlich besser als beim Fräsen oder Erodieren.

Mit überlagerten Bewegungen zur Kontur

Wie sich vermeintlich überholte Verfahren wie das Hobeln zu neuem Leben erwecken lassen, dafür gibt es laut Markus Kannwischer kein Patentrezept. Grundsätzlich gäbe es zwei Herangehensweisen: Entweder man setzt ein Werkzeug anders ein als ursprünglich vorgesehen, oder neue Maschinentechnik eröffnet dem kreativen Prozessentwickler Möglichkeiten, die bislang teuren oder wenig gebräuchlichen Sondermaschinen vorbehalten waren.

Auf der AMB produzierte Horn ein Demoteil, „mit dem wir verschiedene Prozesse zeigen wollten“, erzählt der Technikchef. „An diesem Teil gab es unter anderem ein Polygon, das wir erzeugten, indem wir die Rotation von Werkstück und Werkzeug synchronisierten. Beide Bewegungen in einem bestimmten Verhältnis zu überlagern, führt zu solch unrunden Konturen.“

Auch dieses Verfahren sei grundsätzlich schon lange bekannt, erforderte aber bislang eine Spezialmaschine, mit der sich die Achsen mechanisch synchronisieren ließen. Heute sei diese Bearbeitung auf einem Dreh-Fräs-Zentrum neuer Generation möglich. Ein anderes Beispiel sei das Wälzschälen, das jetzt ebenfalls eine Renaissance erlebt, weil moderne Maschinen die nötigen Zyklen bereits im Standard mitbringen.

Weil die Werkzeuggeometrie bei solchen Operationen nicht der erzeugten Bauteilkontur entspricht, besteht die Herausforderung für den Prozesstechniker nun darin, dem Werkzeug die richtige Form zu geben. Oft sind spezielle Simulationssysteme und Algorithmen nötig, die nach vielen Optimierungsschleifen genau die Werkzeuggeometrie liefern, die am Ende durch Überlagern verschiedener Bewegungen zur gewünschten Kontur am Werkstück führt.

Während es beim Optimieren üblicher Schneidwerkzeuge in der Regel um die Mikrogeometrie geht – etwa um die Verrundung der Schneidkante –, liegt der Fokus bei der Entwicklung vieler neuer Prozesse eher auf der Makrogeometrie. Nur mithilfe ausgeklügelter Simulationsmodelle lässt sich erkennen, wo im Verlauf der überlagerten Bewegungen tatsächlich der minimale Freiwinkel entsteht und welches Profil das Werkzeug deshalb haben muss. Die spezielle Simulations-Software für seine Wälzschälwerkzeuge hat Horn gemeinsam mit einem Partner entwickelt. Sie errechnet in mehreren Iterationsschleifen die ideale Geometrie.

Cleverer Prozess oder innovatives Tool

„Im Gegensatz zum Polygondrehen oder zum Wälzschälen ist Speed-Forming prozesstechnisch vergleichsweise einfach zu beherrschen“, sagt Kannwischer. Die Geometrie der Werkzeuge lasse sich mit einem CAD-System relativ leicht ermitteln.

Welche Rolle ein cleverer Prozess im Vergleich zu einem innovativen Werkzeug spielt, lässt sich laut dem Technikchef nicht pauschal beantworten. „Beim Fräsen bestand der Ansatz früher darin, eine möglichst steife Maschine zu haben, um maximale Vorschübe und Zustellungen fahren zu können. Heute haben wir hochdynamische Maschinen. Durch deren hohe Geschwindigkeit und Dynamik sind beispielsweise mit dem trochoidalen Fräsen oder dem Hochvorschub-Fräsen trotz geringem Abtrag hohe Zeitspanvolumina möglich.“ Beides habe seine Berechtigung und müsse von Fall zu Fall beurteilt werden.

Angepasster Standard

Die Hauptanwendungsfelder des Speed-Forming liegen derzeit im Werkzeug- und Formenbau sowie im Hydraulikbereich. Aber auch Kühlrippen an Gehäusen lassen sich damit herstellen. Grundsätzlich eigne sich Speed-Forming für alle Anwendungen, bei denen es um tiefe Kavitäten geht.

Hinsichtlich Substrat und Beschichtung entsprechen die Werkzeuge den Standard-Superminis. Unterschiede gibt es laut Kannwischer lediglich beim Freischliff an den Flanken. Dieser müsse je nach Nutform und Anwendung speziell angepasst werden.

Derzeit bietet Horn ein kleines Standardprogramm an Speed-Forming-Werkzeugen an. Aktuell beschäftigen sich die Tübinger intensiv mit der Branche Werkzeug- und Formenbau, um auch hier vermehrt spezialisierte und technologisch anspruchsvolle Lösungen bieten zu können. „Wir arbeiten beim Speed-Forming derzeit mit einigen Kunden – vorwiegend aus der Hydraulik – zusammen“, sagt Kannwischer. Er könne sich aber gut vorstellen, „dass wir noch das eine oder andere Aha-Erlebnis haben werden in Bezug auf Anwendungen, an die wir bislang noch gar nicht dachten“.



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