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MAN Energy Solutions: Gewindefräsen im Formel-1-Tempo

| Autor / Redakteur: Matthias Böhm / Silvano Böni

Kleiner Exkurs: Rolle der Bauteilsteifigkeit

D. Birrer: «An diesem konkreten Beispiel fertigen wir an den Befestigungslaschen ein M56er-Gewinde mit einer Länge von 100 mm. Aufgrund der Spannsituation dieses speziellen Bauteils weist der Flansch­bereich, in dem das Gewinde zu fertigen ist, einen labilen Charakter auf. Das sind dann keine 100 % optimalen Bedingungen mehr für das Ge­winde­fräsen und das macht sich beim Zerspanungsprozess insofern bemerkbar, dass sich beim Vollschnitt Vibrationen ergeben. Das sind ganz klassische Fertigungsprobleme, mit denen wir tagtäglich konfrontiert werden. Da wir häufig Einzelteile fertigen, gibt es immer wieder anspruchsvolle Zerspanungs­bedingungen. Wir haben das Problem ganz einfach gelöst. Wir fahren bis auf 2/10 mm Schlichtzugabe im Vollschnitt, sozusagen einen Schruppschnitt. Anschliessend schlichten wir das Gewinde mit einem 2/10 mm tiefen Schnitt. Die stirnseitigen Gewinde können wir dagegen direkt in einem Schnitt fertig bearbeiten. Das liegt aber nicht am Fräswerkzeug, sondern an den lokal unterschiedlichen Steifigkeiten des Bauteils und der Aufspannung, das möchte ich klar herausstellen.»

Schnell überzeugt

M. Eggler: «Das ist noch wichtig zu betonen: Grundvoraussetzung für das Gewindefräsen in diesen Dimensionen sind hoch steife Fertigungsauslegungen. Das betrifft die Spannsituation, das Bauteil bis hin zur Maschine und die Werkzeugspannung. Wenn alles passt, dann kann man in einem Vollschnitt das Gewinde extrem schnell fertigen. Wenn die Bedingungen nicht optimal sind, muss man gegebenenfalls in mehreren Schnitten fahren, wie hier im Schrupp- und Schlichtschnitt.»

Besser geht’s nicht

D. Birrer: «Der dreistufige Gewindefräser hat uns sehr schnell überzeugt. Im Prinzip kann man für das Gewindefräsen zwischen einreihigen bis vollreihigen Gewindefräsern wählen. Bei kleineren Gewinden sind zum Teil vollreihige Gewindefräser die ideale Wahl, weil mit nur einem Gewindefräsgang das komplette Gewinde gefertigt werden kann. Bei grösseren Gewinden, wie bei uns im Bereich von M27 und grösser, stossen vollreihige Gewindefräser an ihre Grenzen, und zwar aus folgendem Grund: Die Schnittkräfte werden zu hoch. Durch die entstehenden radialen Drücke wird der Gewindefräser radial abgelenkt, das Gewinde kann konisch werden. Mit einreihigen Gewindefräsern ist man auf der sicheren Seite, denn die Schnittkräfte und die radialen Kräfte sind kleiner, aber die Hauptzeiten nehmen zu. Der dreireihige Walter-Gewindefräser ist eine Symbiose zwischen vollreihigen und einreihigem Gewindefräser. Er schlägt sozusagen zwei Fliegen mit einer Klappe. Die Schnittkräfte verteilen sich optimal und er ist extrem produktiv und noch dazu ist er sehr flexibel einsetzbar, Stichwort unterschiedliche Steigungen und Gewindegrössen. Besser geht es nicht.»

Kritisch: Neue Werkzeuge in laufende Produktion integrieren

Einen neuen Fertigungsprozess neu in die laufende Produktion einzuführen, ist immer ein kritischer Moment. Im seltensten Fall können Testläufe an Probewerkstücken an gleichem Material mit ähnlichen spanntechnischen Bedingungen gefahren werden.

D. Birrer: «Bedenken hatten wir insofern, dass die radialen Kräfte zu gross werden könnten mit entsprechender Ablenkung des Fräsers. Doch die Bedenken waren unbegründet. Obwohl wir Vollschnitt fahren, waren in unseren Versuchen alle Gewinde 100 % zylindrisch und masshaltig entsprechend den Toleranzvorgaben. Das war überzeugend. Wir sind dann relativ schnell auf die ‹scharfen› Werkstücke gegangen, mit überragenden Ergebnissen bezüglich Prozesssicherheit als auch Geschwindigkeit. Wir konnten aufgrund der extrem weich schneidenden Wendeschneidplatten mit drei Reihen in die Kernbohrung fahren. Die radialen Schnittkräfte haben wir im Griff, eine radiale Ablenkung des Gewindefräsers ist nicht messbar.»

Ergänzendes zum Thema
 
Unterschiedliche Typen von Gewindefräsern

Die Schnittwerte des Fräsers auf der Pama liegen lediglich bei vc = 130 mm/min und fz = 0,3 mm. Das Walter-Schnittdaten-GPS schlägt Schnittgeschwindigkeiten von vc = 200–250 mm/min vor. Dass nur 130 mm/min gefahren wird, liegt an den dy­namischen Grundgegebenheiten der Werkzeug­maschine. Die Spindel lässt keine höheren Drehzahlen zu, sie ist auf Drehmoment ausgelegt. Ganz anders sieht das auf einem modernen BAZ aus, wie D. Birrer sagt: «Auf einem anderen Bearbeitungszentrum mit dem gleichen Gewindefräser fahren wir die von Walter empfohlenen Schnittgeschwindigkeiten von vc = 200 bis 250 m/min bei fz = 0,3 mm bis 0,4 mm.»

Das Beste kommt noch

Das Beste kommt aber noch. Trotz der erheblich besseren Produktivität ist der Wendeplattenfräser von Walter kostengünstiger als das bisher genutzte Wechselkopfsystem. Zwar ist der Werkzeugkörper inklusive Wechselplatten in der Erstanschaffung teurer, aber da jede Wendeschneidplatte über drei Schneiden verfügt, hat sich der Walter-Fräser bereits nach dem ersten Wenden der Wendeschneidplatten amortisiert.

D. Birrer: «Die Werkzeugkosten sind das eine, wenn wir die Maschinenkosten und die Mannstunden hinzuzählen, dann ist das ein enorm lohnendes Unterfangen, das wir mit dem neuen Gewindefräsverfahren realisiert haben.»

M. Eggler: «Gegenüber einem Wechselkopfsystem ist hervorzuheben, dass die Herstellung einer WSP relativ günstig ist. Das hat für den Anwender natürlich wirtschaftliche Vorteile. Technologisch gehören die WSP in den Highend-Bereich. Vom Substrat, über die Beschichtung bis hin zum Schleifen der Schneiden können die Platten hoch spezifisch auf das zu bearbeitende Material zugeschnitten konfiguriert werden. Der Eckenradius liegt bei 0,2 oder 0,4 mm, je nach Gewindegrösse.»

D. Birrer: «Ich hatte ja am Anfang das Thema Flexibilität angesprochen. Die Gewindefräser sind hochgradig fle­xibel einsetzbar. Mit einem Satz von sieben Gewindefräsern können wir das komplette Programm an Gewinden ab M24 bis M64 mit unterschiedlichen Steigungen bearbeiten. Auch Feingewinde können wir mit diesen Werkzeugen abdecken. Letzten Endes sind durch das neue Gewindefräsverfahren die Gesamtkosten erheblich reduziert worden. Noch dazu haben wir massiv Zeit eingespart. Und das mit extrem einfachen Mitteln, indem wir einen neu entwickelten Gewindefräser ein­setzten und die Fräsoperation entsprechend an­passten.» SMM

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