Alleskönner: Gewindebohrer im Trockeneinsatz - Brütsch Rüegger AG

>> Im Rahmen eines gemeinsamen Projektes der Heidelberger Druckmaschinen AG und Emuge-Franken lautete das ehrgeizige Ziel, den Einsatz von Kühl- und Schmiermitteln in der Fertigung drastisch bis hin zur Trockenbearbeitung zu reduzieren. (Nicht nur) in diesem Zuge konnte sich der Gewindebohrer von Emuge als Allrounder, der bei allen Werkstoffen zum Einsatz kommt, eindrucksvoll bewähren.

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Brütsch/Rüegger Werkzeuge AG

Emuge Werk Richard Glimpel GmbH & Co. KG

Ob hochwertige Werbedrucksachen oder innovative Verpackungen mit Veredelungseffekten wie spezielle Lacke oder Effekte in der Weiterverarbeitung – der Bogenoffsetdruck ist der High-End-Bereich der Drucktechnologien.

Drastische Reduzierung von KSS

Für diese Technologie steht stellvertretend ein Anbieter: Die Heidelberger Druckmaschinen AG (Heidelberg). Deren Werkzeugtechnologie ist am Standort Wiesloch-Walldorf (D) zuhause und verantwortlich für die Werkzeuge und Prozesse innerhalb Heidelberg System Manufacturing (HSM). Bereits im Jahr 1993 wurde dort ein ehrgeiziges Projekt gestartet: den Einsatz von Kühl- und Schmiermitteln in der Fertigung drastisch zu reduzieren bis hin zur Trockenbearbeitung.

Gründe dafür gab es genug: Neben einer Gesetzesverordnung, die in der Entstehung war und in der die Richtlinien zum Schmierstoffeinsatz erheblich verschärft werden sollten, wurde auch Umweltverträglichkeit gefordert. In diesem Zuge nutzten die Mitarbeiter in der Werkzeugtechnologie die Chance, neben den ökologischen Gesichtspunkten auch die Wirtschaftlichkeit der Prozesse zu verbessern – denn es sollte das Ziel einer Firma sein, beide Themen zusammen zu optimieren: sprich die Prozesszeiten zu verringern, Standzeiten zu verbessern, Werkzeugkosten einzusparen und Hilfs- sowie Betriebsstoffkosten zu senken. Dafür benötigte Heidelberg kompetente Partner aus der Werkzeugindustrie.

Anspruchsvoll: trocken Gewindeschneiden

Mit Emuge-Franken (CH-Vertretung: Brütsch Rüegger), einem Unternehmensverbund mit Spezialisierung auf Präzisionswerkzeuge, verbindet Heidelberg eine langjährige Kooperation. Bereits seit den 1980er Jahren ist Emuge Lieferant hochwertiger Werkzeuge, vor allem von Gewindeschneid-Werkzeugen. Die Umstellung auf Gewindeschneiden ohne oder mit nur sehr geringem Einsatz von Kühl-Schmierstoff (KSS) stellte die Entwicklungspartner vor grosse Herausforderungen.

Denn in einem Bearbeitungszentrum mit üblichem KSS-Einsatz werden ca. 5000 Liter KSS pro Stunde umgewälzt, das Ziel war jedoch die Umstellung auf MMS-Bearbeitung (MMS = Minimalmengensystem) zur Reduktion auf 0,1 Liter pro Stunde.

KSS: drei wichtige Aufgaben

KSS erfüllt im Wesentlichen drei Aufgaben: Die Kühlung von Bauteil und Werkzeug, die Schmierung im Prozess sowie den Abtransport der anfallenden Späne. «Wir fragten uns, wie wir diese Probleme lösen können. Denn Druckluft würde zwar kühlen und die Späne wegblasen, ist allerdings bei einem Druck von 6 bar zu teuer und zu laut. Somit blieben drei andere Möglichkeiten, die Anforderungen zu erfüllen: Die vorhandene Menge an KSS optimal zu nutzen, das Werkzeug zu verbessern und die Eigenschaften des KSS selbst anzupassen», blickt Dr. Matthias Weigold, Leiter Werkzeugtechnologie bei Heidelberg System Manufacturing, zurück.

Durchdachte MMS-Bearbeitung

Bei der Nassbearbeitung wird der KSS über die Spindel oder über angebrachte Spülrohre an das Werkzeug gespült. In der Trocken- und MMS-Bearbeitung führt die Zubringerleitung den Aerosolnebel 1-kanalig (alternativ 2-Kanal-System) durch die Spindel an das Werkzeug heran. Bei kleinen Gewinden wird der Aerosolnebel aussen am Schaft über eine spezielle Leithülse geführt. Ab Nenndurchmesser M8 besitzen die Gewindewerkzeuge innere Kühlmittelzufuhr. Die MMS-Zuführung verläuft durch die Spindel, wird an das Futter adaptiert und dann über die innere Kühlmittelzufuhr des Gewindebohrers an die Wirkstelle gebracht. Das Ziel ist, einen Nebel aus feinen Öltropfen an die Schneide des Werkzeugs zu bringen. Dabei ist darauf zu achten, dass keine Versackungsräume vorhanden sind. Ebenso sollten zu enge Radien in Zuleitungen und Störkanten im Kanalsystem vermieden werden.

Schnittstellenübergänge entscheidend

Die Werkzeuge sowie die Innenkanäle mussten deshalb entsprechend angepasst werden. «Von Vorteil war dabei, dass im Hause nicht nur die Werkzeuge, sondern auch die Werkzeugaufnahmen hergestellt werden. In Zusammenarbeit mit Heidelberg konnten wir somit die Schnittstellenübergänge zwischen Werkzeug und Werkzeugaufnahme nach dem Motto ‹ab der Spindelaufnahme ein System› optimal auslegen. Denn genau darauf wurde bei Heidelberg grosser Wert gelegt, weswegen wir auch lange nach dem Abschluss des offiziellen Projekts die Entwicklung gemeinsam fortführten. Inzwischen ist der Prozess jedoch in die Fertigung implementiert – und seitens Heidelberg ist man auch sehr zufrieden damit», erläutert Hans-Georg Engelhardt aus dem Vertrieb von Emuge.

Ein Gewindebohrer für alle Werkstoffe

Zum Einsatz kommt der Gewindebohrer von Emuge bei allen Werkstoffen, auch hochfesten. In umfangreichen Tests wurde dabei untersucht, ab welchem Durchmesser von Aussenzuführung auf Innenkanäle umgestellt wird. Ist der Gewindebohrer für innere Kühlmittelzufuhr ausgelegt, wird damit das Werkzeug vom Kern her geschwächt. Bei hochfesten Werkstoffen kam es bei Versuchsreihen zu Abscherungen der Werkzeuge. Deshalb wurde bei Heidelberg für den Allround-Gewindebohrer der Nenndurchmesser M8 als kleinste Grösse für Innenkanäle festgelegt. Seitens Emuge wären Innenkanäle ab M5 möglich.

Anspruchsvoller Spänetransport

Mit dem Transport des Schmiermittels an die Schneide des Werkzeugs ist es aber nicht getan. Die Schmiermittelgabe erfolgt erst bei Eintauchen des Werkzeugs in das Bauteil, entsprechend den Parametern im NC-Programm. Durch die geringe Menge an Schmiermittel entstehen höhere Temperaturen sowohl im Bauteil als auch am Werkzeug.

Der Gewindebohrer muss in der Lage sein, die zusätzliche Wärme einerseits aus dem Bauteil abführen zu können, andererseits aber auch unter höherer Temperaturbelastung einwandfrei zu funktionieren. Der Hauptwärmefaktor ist dabei der Span, der ca. 80 % der entstehenden Wärme aufnimmt.

Die Spülwirkung des Kühlmittels fällt weg, deshalb mussten andere Wege gefunden werden, wie die Späne schnell und sicher abtransportiert werden können: direkt am Entstehungsort wie auch an den Abdeckflächen der Maschine zur Vermeidung von Späne-Nestern. «Im Zuge eines jahrelangen Prozesses entwickelten wir zusammen mit Emuge die optimale Geometrie des Gewindeschneidwerkzeugs, um die Spanlänge gering zu halten und den Abtransport zu beschleunigen. Dabei wirkt sich die höhere Schnittgeschwindigkeit, die durch die neuen Gewindebohrer möglich wurde, positiv auf den Abtransport aus», betont Mathias Greulich von der Werkzeugtechnologie bei Heidelberg System Manufacturing.

TiAlN- und AlCrN- Beschichtungen

Auf dem Gebiet der Geometrie wurde damit bereits das Optimum erreicht. Wesentlich für die Standzeit und die Einsatzmöglichkeit des «Allround-Gewindebohrers» ist darüber hinaus die Oberflächenbeschichtung. Gleichmässig beschichtet soll das Gewindeschneidwerkzeug sein, damit es hohe Standzeiten mit Temperaturbeständigkeit und Verschleissfestigkeit bietet. Für monolithische Zerspanungswerkzeuge hat sich bei Heidelberg insbesondere die PVD-Beschichtung bewährt.

Dieser Oberbegriff – Physical Vapour Deposition – fasst eine Gruppe von Schichttechnologien zusammen. Vor allem TiAlN- und AlCrN-Beschichtungen in unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung stehen aktuell hoch im Kurs. In diesem Bereich läuft die Entwicklung rasant weiter, da sind auch in der Zukunft noch Steigerungen in der Standzeit und der Qualität möglich.

60 BAZ mit MMS-Technologie

1999 wurde das vom bmbf (Bundesministerium für Bildung und Forschung) geförderte Projekt beendet. Das Ziel der Werkzeugtechnologie war, das Verfahren prozesssicher und damit alltagstauglich zu machen. Dafür war eine enge und kontinuierliche Zusammenarbeit mit den Bereichen der Serienfertigung erforderlich. Ganze Bearbeitungszentren wurden umgerüstet, aktuell sind am Standort Wiesloch-Walldorf 30 Zentren mit MMS-Technologie in Betrieb. Im gesamten Fertigungsverbund von Heidelberg System Manufacturing sind es 60 Bearbeitungszentren.

Der Ausstoss und damit die Wirtschaftlichkeit steigerte sich deutlich. Durch die Weiterentwicklung der Werkzeuge mit der verbesserten Verschleissfestigkeit erhöhten sich auch die Schnittdaten. Der Gewindebohrer ist im Übrigen so konzipiert, dass er sowohl bei KSS- als auch bei MMS-Prozessen eingesetzt werden kann.

6500 Bauteile aus 128 Werkstoffen

Bei 6500 aktiven Bauteilen aus 128 verschiedenen Werkstoffen, die am Standort Wiesloch-Walldorf im Fertigungsprogramm sind, sowie den hinzukommenden Bauteilen aus dem externen Kundengeschäft, das bei Heidelberg System Manufacturing derzeit stark ausgeweitet wird, müssen sich die Mitarbeiter auf ihre Werkzeuge verlassen können. Zumal eine ständig variierende Bearbeitungsaufgabe alle ein bis zwei Schichten ein Umrüsten der Bearbeitungszentren und Werkzeuge erfordert.

«Unter diesen Rahmenbedingungen hat sich der Gewindebohrer von Emuge als Allrounder, der für alle Werkstoffe eingesetzt wird, bewährt. Vor allem auch angesichts dessen, dass wir nicht das optimale Werkzeug für jedes einzelne Bauteil wollen, sondern das spektrumübergreifende Optimum bei gleichzeitigem Bestreben nach langer Standzeit in hohen Technologieparametern. Auf dieser Basis setzen wir auch zukünftig auf Emuge als Technologiepartner», fasst Dr. Matthias Weigold zusammen. <<

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