Genial: Wechselkopfbohrer ab 4 mm Durchmesser Patentiertes Bohrkopfsystem ermöglicht mannlose Schicht

Von Matthias Böhm, Chefredaktor SMM

Das patentierte Bohrkopfsystem Sumocham von Iscar ab 4 mm Durchmesser ermöglichte den Spezialisten der Tschudin + Heid AG, den Fertigungsprozess einer Welle aus Rostfrei-Stahl neu mannlos zu fertigen. Zuvor war der Bohrungsprozess sowohl mit HSS-E als auch Vollhartmetall relativ unstabil. Das Beispiel zeigt eindrücklich, wie mit neuen Werkzeugsystemen erhebliche Optimierungen im Fertigungsprozess erreicht werden können.

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Die Iscar-Neuentwicklung hat den Durchbruch in die prozesssichere Bearbeitung gebracht. 3500 Bohrungen sind mit einem VHM-Kopf im vorgegebenen Toleranzgefüge fertigbar.
Die Iscar-Neuentwicklung hat den Durchbruch in die prozesssichere Bearbeitung gebracht. 3500 Bohrungen sind mit einem VHM-Kopf im vorgegebenen Toleranzgefüge fertigbar.
(Bild: Matthias Böhm)

Die 55 Mitarbeiter starke Tschudin + Heid AG verfügt mit 30 Dreh-​Fräszentren sowie 8 Bearbeitungszentren über einen technologisch hochstehenden Maschinenpark. Eine Stärke des Unternehmens ist es, sich als Zulieferunternehmen im High-End-Sektor zu positionieren.

Was heisst das? Das Bauteilspektrum der Tschudin + Heid AG geht in die Medizintechnik, Chemie- und Pharmaindustrie, Luft- und Raumfahrt wie auch Uhrenbranche.

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Neben Zulieferkomponenten sind ein weiteres wichtiges Standbein des Unternehmens wälzkörpergelagerte Zylinderlängsführungen für den Werkzeugbau in Höchstpräzision, wo selbst die Rollen inhouse im 10 000stel-Bereich geschliffen werden.

Tobias Schmid, gelernter Feinmechaniker und CEO der Tschudin + Heid, führt das Unternehmen in der fünften Generation in die Zukunft. Seinen Sitz hat das Unternehmen seit über 130 Jahren in Waldenburg.

T. Schmid: «Wir müssen uns tagtäglich mit dem Bearbeiten von Hochleistungs- und schwierig zu bearbeitenden Werkstoffen auseinandersetzen. Jeder neue Auftrag erfordert von unseren Spezialisten ein Herantasten an die bestmögliche Fertigungsstrategie. Je nach Werkstoff und Komplexität ist das ein entsprechend anspruchsvoller Prozess. Wir setzen auf Zweischichtbetrieb, um in der dritten Schicht die Produktion mannlos laufen zu lassen.»

Radoslaw Freyter (Fertigungstechniker Tschudin + Heid AG): «Damit Prozesse mannlos laufen, braucht es hochgradig sichere Fertigungsprozesse. Das macht die Stärke unseres Unternehmens aus, dass wir zum einen neue wie auch bestehende Prozesse regelmässig analysieren. Wir verfolgen sowohl die Werkzeugmaschinen-Entwicklung als auch die Werkzeugentwicklung. Wir motivieren unsere Mitarbeiter, Fertigungsoperationen neu zu denken und zu optimieren. Die besten Optimi­erungen werden durch unseren firmen­eigenen Innovationspreis ausgezeichnet.»

5-mm-Bohrung bereitet Kopfzerbrechen

Genau eine solche Fertigungsoptimierung musste bei einer Welle (L = 100 mm, D = 15 mm) aus X8CrNiS18-9+1G realisiert werden. Auf den ersten Blick ein einfach zu fertigendes Bauteil, mit M12-Aussengewinde und einem 4 mm breiten und 2,5 mm tiefen Einstich, gefertigt ab Stange auf einem Citizen-Langdrehautomaten. Dank des hohen Schwefelgehalts ist das Bauteil gut zerspanbar, wäre da nicht die zentrische D = 5,35 mm und 30 mm tiefe Bohrung.

Radoslaw Freyter (Fertigungstechniker Tschudin + Heid): «Mit 5,35 mm Durchmesser bei 30 mm Tiefe ist es eine 6 x D-​Bohrung. Eigentlich unproblematisch für die bestehenden Werkzeughersteller. Gleichwohl hat uns diese Bohrung in der Vergangenheit Kopfzerbrechen bereitet. Insbesondere im Rahmen der unbemannten Fertigung.»

Bisherige Lösungsversuche

Beschichtete HSS-E-Bohrer zeigten generell gute Bohreigenschaften, aber ab einer unspezifischen Anzahl an Fertigteilen wurde die Bohrung auf die 30 mm Länge um mehrere Hundertstelmillimeter konisch ausserhalb des Toleranzbereiches. Die Schwierigkeit war, dass der Bohrerverschleiss nicht gleichmässig war, was zu Prozessinstabilitäten führte. Ein anschliessendes Reiben der konischen Bohrungen wurde ausgeschlossen, wegen der Prozesszeit und höherer Fertigungskosten.

R. Freyter: «Wir haben natürlich auch VHM-Bohrer getestet, die Bohrungen waren ab sofort zylindrisch im Toleranzfeld. Doch bei den VHM-Bohrern zeigten sich Unwägbarkeiten bezüglich der Prozess­sicherheit aufgrund von Werkzeugbruch.»

Patrick Lächler (Verkaufsberater Iscar Schweiz AG): «Der Werkzeugbruch von VHM-Bohrern kann verschiedene Ursachen haben. Gerade bei Tieflochbohrungen in Chrom-Nickelstahl kann es zu abrupten Drehmomenterhöhungen (Spanverklemmung usw.) kommen, was bei VHM-Bohrern zu Werkzeugbruch führen kann.»

Weder Vollhartmetall- noch HSS-E-Bohrer waren prozesssicher

Zwischenfazit: sowohl beschichtete HSS-E-Bohrer als auch VHM-Bohrer verfügten nicht über die notwendige Prozesssicherheit. Das heisst aus produktionstechnischer Sicht, dass die Bauteilfertigung kontinuierlich überwacht werden musste. Das ist personalintensiv und bindet Mitarbeiter, letztlich rechnet es sich nicht.

Neuer Lösungsansatz mit Wechselkopf-Bohrer

R. Freyter: «Wir haben generell mit Werkzeugherstellern einen regelmässigen Technologieaustausch. Die Iscar-Spezialisten haben uns die Neuentwicklung des Sumocham-Bohrers vorgestellt. Die Wechselkopfbohrer über D = 8 mm hat Iscar schon länger im Programm. Die kleinen Durchmesserbereiche ab 4 mm haben sie 2020 lanciert. Für unsere Bohrproblematik schienen uns die Wechselkopfbohrer die ideale Lösung. Also starteten wir unsere ersten Bohrversuche.»

Erste Versuche mit innengekühlten Wechselkopfbohrern

Bereits die ersten Versuche mit den innengekühlten Sumocham-Wechselkopfbohrern verliefen hervorragend.

R. Freyter: «Das hatten wir so nicht erwartet. Die Bohrkopfschnittstelle des spiralisierten Grundkörpers wirkt filigran gegenüber den grösseren Sumocham-​Bohrern.»

Luc Hattenberger: «Dieser Einwand ist wichtig und auch korrekt. Deswegen hat es auch länger mit der Entwicklungsarbeit gebraucht, bis wir diese kleinen Sumo­cham-Wechselkopfbohrer zur Marktreife entwickeln konnten. Und in der Schnittstelle des Wechselkopfbohrsystems steckt enormes Know-how, damit die Bohrer den hohen Belastungen im Zerspanungsprozess standhalten. Auf der anderen Seite muss man sehen, dass bei kleineren Durchmessern auch die Zerspankräfte entsprechend geringer werden. Generell: bevor solche Bohrer in den Markt gehen, werden sie in Iscar-eigenen Anwendungszentren auf Herz und Nieren getestet. Die Sumocham-Produktlinie bieten wir ab D = 4 mm, in Zehntel-Schritten an. Die bisherigen Rückmeldungen im Markt sind sehr positiv.»

Doch zurück zu den Bohrversuchen, R. Freyter: «Wir konnten die Bohrung ab sofort prozesssicher fertigen. Das war ein toller Erfolg. Da müssen wir die Entwicklungen der Werkzeughersteller an dieser Stelle ausdrücklich loben.»

Und ein kleines Kuriosum

Wie oben beschrieben ist die Bohrung in 5,35 mm +/–5/100 mm gefertigt worden. R. Freyter: «Es gibt die Bohrer ab D = 4 mm in 1/10-mm-Schritten. Also hätten wir D = 5,3 oder 5,4 mm zur Auswahl. Weder der eine noch der andere Durchmesserbereich ist geeignet für unseren Bohrungsdurchmesser. Dass Iscar das Werkzeug als Sonderwerkzeug produziert oder die Serie in 0,05er-Schritten erweitert, stand nicht zur Diskussion.»

Wie konnte die Problematik behoben werden? R. Freyter: «Wir lieben Probleme. Und wie gesagt, der Bohrer war einfach klasse, hochgradig prozesssicher, perfekt abgestimmt auf diesen Werkstoff und die Bohrung. Nur der Bohrungsdurchmesser passte nicht. Was lag also näher, als die Bohrer auf unserer firmeneigenen EWAG-​Werkzeugschleifmaschine auf das korrekte Mass zu schleifen?»

R. Freyter: «Das hört sich ein wenig paradox an, aber die neu eintreffenden Iscar-Sumocham-Bohrer – genaugenommen die Bohrköpfe – gingen direkt in unsere Werkzeugaufbereitung und bekamen einen neuen Schliff respektive Durchmesser von D = 5,35 mm. An der eigentlichen Schnittgeometrie haben wir aber nichts geändert, das hat Iscar im Griff. Ich war begeistert von dem Bohrer, der Körper nimmt aufgrund seiner Elastizität viel auf, und der Kopf macht die harte Arbeit.»

Ergebnis lässt sich sehen

R. Freyter ergänzt: «Mit einem Wechselkopf können wir 3500 Bauteile fertigen. Die Seriengrösse liegt bei ca. 20 000 Werkstücken pro Jahr. Der grösste Vorteil ist aber, dass wir mit dem Sumocham zu 100 Prozent auf der prozesssicheren Seite sind. Hat der Bohrkopf seine Standzeit erreicht, muss lediglich der Wechselkopf getauscht werden. Das dauert gerade einmal 10 Sekunden, fertig.»

Luc Hattenberger: «Aus unserer Sicht, also der von Iscar, ist die Standzeit natürlich viel zu lang. Das ist ein Wermutstropfen für uns. Wir verkaufen ja fast keine Bohrer mehr, wenn die so lange halten. Aber Spass beiseite, das ist klasse zu hören, dass wir mit diesem Sumocham-Bohrer den Prozess derart perfektionieren konnten, und zeigt uns als Werkzeughersteller, dass die Ursachen für die Prozesssicherheit oft im Detail liegen.» Hier muss seitens der Redaktion hervorgehoben werden, dass es sich bei den Sumocham-​Wechselkopfbohrern um ein patentiertes Detail handelt.

Ein Blick auf die Schnittdaten

Für diesen 5-mm-Durchmesserbereich empfiehlt Iscar bei der Bearbeitung von Chrom-Nickelstählen im Generellen 0,06 bis 0,08 mm Vorschub pro Umdrehung. Bei einer Drehzahl 3200 1/min braucht der Bohrungsvorgang zirka 8 Sekunden Hauptzeit. Das sind etwa die Prozessdaten, die für diese Bohrung gefahren werden. Um einen sicheren Spantransport zu leisten, sind die Spankammern des Grundkörpers poliert. Die Grundkörper werden in 0,5-mm-Schritten hergestellt, das heisst, selbst wenn die Bohrung (D = 5,35 mm) verläuft, drückt der Grundkörper (D = 5 mm) nicht in der Bohrung. Auch das ist eine Ursache für die hohe Prozesssicherheit des Sumocham-Wechselkopfbohrers. Zur Ergänzung: Zu Beginn des Bohrprozesses wird mit einem VHM-Pilotbohrer zentriert.

Weitere Sumocham-Bohrer im Testversuch

Nicht zuletzt aufgrund der guten Erfahrungen wird der Einsatz dieses Bohrertyps für weitere Fertigungslösungen in der Produktion bei Tschudin + Heid geprüft.

R. Freyter: «Aktuell sind wir einen Sumocham-Bohrer D = 4,8 mm in 8 x D am Testen, auch in Rostfrei mit weniger Schwefelgehalt. Das Bauteil ist entsprechend schwieriger zu zerspanen.»

T. Schmid: «Hier ist aus meiner Sicht noch ein wichtiger Hinweis zu erwähnen. Sowohl bei den Werkzeugmaschinen als auch bei den Werkzeugen investieren wir wenn immer möglich prozessorientiert. Das heisst, wir versuchen die Fertigungsmittel so auszuwählen, dass wir hocheffizient und qualitativ hochwertig fertigen können. Wie obiges Beispiel zeigt, rechnet sich eine solche Vorgehensweise aus unserer Sicht relativ schnell. Apropos Prozessverbesserung: wir zeichnen unsere Mitarbeiter, die einen Prozess optimiert haben, mit einem firmeneigenen Preis aus. Radoslaw Freyter hat erst kürzlich einen Preis erhalten und war auch bei diesem Projekt federführend. Wenn unsere Mitarbeiter solche Optimierungen entwickeln, bringt das unser Unternehmen in eine Poleposition, auch langfristig, und das macht uns zukunftsfähig.» SMM

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