E. Zoller: Optische Inspektionstechnologie Rautiefen flächig zu messen, optimiert Werkzeuge

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Der Werkzeughersteller Hufschmied misst optisch mit dem Inspektionsgerät «mµFocus» von Zoller die Oberflächen seiner Werkzeuge. Wesentlich treffender als bisher kann er damit deren Eigenschaften beurteilen und optimieren.

Ralph Hufschmied, Geschäftsführer beim Werkzeughersteller Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH in Bobingen, berichtet, dass sein Unternehmen überwiegend individuell optimierte Werkzeuge produziert. «Aus einem Standard entwickeln wir Bohr- und Fräswerkzeuge, die exakt auf die Zerspanungsbedingungen, die zu bearbeitenden Werkstoffe und die wirtschaftlichen Forderungen der Fertigungsbetriebe abgestimmt sind. Somit tragen wir wesentlich zu optimalen Prozessen bei», erläutert er das Konzept des Werkzeugherstellers. Vor 30 Jahren hatten sein Vater und er das Unternehmen mit dieser Idee gegründet. Derzeit produzieren bei Hufschmied knapp 130 Beschäftigte auf dieser Basis hochwertige Bohr- und Fräswerkzeuge vor allem für schwierig zu bearbeitende Werkstoffe und ungewöhnliche Bearbeitungen. Das betrifft beispielsweise das Besäumen und hochgenaue Fertigen von Bauteilen aus glas- und kohlefaserverstärkten Kunststoffen für die Automobilindustrie. Auch zum Bearbeiten hochfester, zähharter Metalle, zum Beispiel Titan-Aluminium-Legierungen in der Medizintechnik, entwickelt und realisiert der Werkzeughersteller produktive und effiziente Prozesse und Werkzeuge.

Oberflächen entscheidend

Zum Optimieren der Werkzeuge erläutert Dr.-Ing. Fuentes, stellvertretender Entwicklungsleiter in Bobingen: «Um den Spanfluss zu verbessern und die Wärmebildung an der Spanfläche zu vermindern, muss man vor allem die Oberflächen beurteilen. Sind sie wirklich glatt, haben also nur minimale Rautiefen, wird das Werkzeug deutlich besser arbeiten. Bei niedrigeren Schneidkräften wird es prozesssicher über längere Standzeiten zerspanen. Deshalb ist für uns sehr wichtig und entscheidend, die Rautiefen an den betreffenden Flächen der Werkzeuge exakt zu messen.» Wie Dr.-Ing. Fuentes weiter berichtet, gelingt das mit den üblichen tastenden Messverfahren nur unzureichend. Sie arbeiten richtungsabhängig. Zudem sind bei kleinen Werkzeugen, beispielsweise Bohrern und Fräsern mit weniger als etwa 3 mm Durchmesser, die Flächen in den Spannuten tastend nicht zu erfassen. Dr.-Ing. Fuentes fügt hinzu: «Für eine sehr weitreichende Optimierung ist es zudem zwingend erforderlich, nicht nur makroskopisch, sondern auch mikroskopisch die Oberflächen zu erfassen. Auch die Beschaffenheit der Oberfläche in Abmessungen kleiner 1 µm beeinflusst nach unseren Erfahrungen und Erkenntnissen erheblich die Eigenschaften der Bohr- und Fräswerkzeuge.»

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Mit Prototyp Entwicklung vorantreiben

Bei Hufschmied ist man stets offen für Innovationen, wie Ralph Hufschmied betont. Deshalb hat man vor einigen Monaten das Angebot von Zoller begrüsst, mit dem optischen Inspektionsgerät mµFocus zu arbeiten. Diese Messtechnik gehört zu den zukunftsweisenden Innovationen des Pleidelsheimer Herstellers. «Wir sehen einen besonderen Vorteil darin, von einem Werkzeughersteller aus der Praxis Rückmeldungen zur Funktion, zum Bedienen und zu den Messergebnissen zu bekommen», sagt dazu Bernd Schwennig, der die Technische Leitung Vertrieb bei Zoller bis jüngst innehatte. Ralph Hufschmied fügt hinzu: «Gemeinsam mit Zoller haben wir seit über 20 Jahren stets geeignete Messverfahren für unsere Werkzeugproduktion gefunden. So arbeiten wir seit einigen Jahren mit Messgeräten Genius. Auch bei diesen haben unsere Erfahrungen und Rückmeldungen dazu beigetragen, die Messgeräte hinsichtlich ihrer Ausstattung und Bedienung für die Praxis zu optimieren.» Deshalb waren beide Partner sich rasch einig, auch das innovative optische Messverfahren mit den Messgeräten mµFocus mit den Erkenntnissen aus der Werkzeugproduktion gemeinsam weiterzuentwickeln.

Bisherige Messverfahren unzureichend

Aus wiederholtem Messen unterschiedlicher Werkzeuge haben sich beim Werkzeughersteller Hufschmied bislang ungeahnte Einsichten ergeben. Dazu berichtet Dr.-Ing. Fuentes: «Beispielsweise hatten wir bei Fräswerkzeugen die Oberflächen am Schaft tastend gemessen. Trotz optimaler Werte für die Rautiefe Ra gab es immer wieder Werkzeuge, die durch die Schneidkräfte aus dem Hydrodehn- oder Schrumpffutter ausgezogen wurden. Diese haben wir dann optisch gemessen und sind zu erstaunlichen Ergebnissen gekommen.» So fanden die Werkzeughersteller heraus, dass die Mess­ergebnisse beim tastenden Messen ausgeprägt richtungsabhängig sind. Dies betrifft vor allem die Werkzeugschäfte und die daraus resultierenden übertragbaren Spannkräfte. Zudem sind, wie Dr.-Ing. Fuentes erklärt, die tastend erfassten Mess­ergebnisse untereinander nicht immer vergleichbar und durchgängig zu gebrauchen, um die Rauheit zu beurteilen. «Es gibt deutliche Unterschiede im Werkzeugverhalten, obwohl die gemittelten und gemessenen Rautiefen Rz mehrerer Werkzeuge übereinstimmen. Nach unseren Erfahrungen können wir die Zusammenhänge von Rautiefen und Verhalten der Oberflächen hinsichtlich Spannkräften und übertragbaren Drehmomenten im Detail erst mit den optischen Messverfahren und den Inspektionsgeräten mµFocus von Zoller ausreichend beurteilen.»

Weitreichender Nutzen

Das optische Messen mit dem Inspektionsgerät mµFocus von Zoller eröffnet den Spezialisten beim Werkzeughersteller Hufschmied ungeahnte Einblicke in die Beschaffenheit von Werkzeugoberflächen. So ist es erstmals möglich, die Rauheit flächig zu messen und zu beurteilen, nicht nur in einer Linie und in einer Richtung wie beim tastenden Messen. Das Inspektionsgerät mµFocus erfasst mit einem Lichtstrahl jeweils eine 1,0 × 0,8 mm messende Fläche bei 1,3 Mio. Pixel Auflösung. Das Bild der Oberfläche auf dem Farbbildschirm zeigt die Höhenstruktur bei 0,3 µm Auflösung mit unterschiedlichen Farben. Somit kann der Bediener die erfasste und gemessene Oberfläche ganzheitlich beurteilen. «Daraus ergeben sich bisher nicht erwartete Erkenntnisse. So kann man bei einigen Oberflächen, zum Beispiel am Werkzeugschaft, eine deutliche Richtungsorientierung der Rauheiten erkennen. Das kann durch das Schleifen der Werkzeuge verursacht sein», berichtet Dr.-Ing. Fuentes. Auch bei beschichteten Werkzeuge ergeben sich mit Hilfe des optischen, mikroskopischen Messverfahrens ähnliche Ergebnisse. Ist der üblich gemessene arithmetische Mittenrauwert Ra auf der Beschichtung überall gleich, so sieht man bei den unter dem Inspektionsgerät mµFocus gemessenen Flächen doch deutliche Unterschiede. Dies betrifft zum einen die Beschaffenheit der Höhenstrukturen, zum anderen die Rautiefen. Dazu sagt Bernd Schwennig: «Über die tatsächlichen geometrischen Eigenschaften speziell beschichteter Werkzeuge ist bisher wenig bekannt. Zudem sind die Mikrogeometrien mit üblichen Messverfahren nur pauschal zu beurteilen. Unser innovatives optisches Messverfahren mit den Inspektionsgeräten mµFocus eröffnet dagegen grosse Chancen, Oberflächen wesentlich exakter und detaillierter beurteilen zu können.»

Messwerte standardisieren

Wie Dr.-Ing. Fuentes betont, haben er und seine Werkzeugspezialisten aus den optischen Messungen bereits zahlreiche wertvolle Hinweise erhalten, um die Bohr- und Fräswerkzeuge von Hufschmied deutlich zu verbessern. Das betrifft vor allem den Spanfluss in den Fräsernuten beim Bearbeiten adhäsi­ver Werkstoffe, beispielsweise von Kunstharz-Faser-Verbundstoffen und speziellen Metalllegierungen. Auch konnte man aufgrund der optisch erfassten Messdaten das Schleifen der Werkzeuge in den Nuten und am Werkzeugschaft so optimieren, dass die Späne besser abfliessen und die Werkzeugschäfte höhere Kräfte im Spannfutter übertragen können. «Somit ergeben sich weitreichende Vorteile durch das optische Messen auf dem Inspektionsgerät mµFocus von Zoller», fasst Dr.-Ing. Fuentes zusammen. Doch sieht er weitere Möglichkeiten, künftig die Vorteile optischer Messverfahren noch weitgehender nutzen zu können. Ralph Hufschmied stimmt dem zu: «Wir wünschen uns eine Standardisierung der Messverfahren und der Messergebnisse. Nur so können Messdaten verglichen werden. Das betrifft speziell die digitalisierte Beurteilung, die eindeutige Vorgaben erfordert. Dann gäbe es ein weiteres, anerkanntes Kriterium für Oberflächen­eigenschaften, die zum Beispiel beim Strahlen oder beim Gleitschleifen erzeugt werden. Wir erachten die optisch gemessene, flächige Oberflächengüte als wichtiges Kriterium, die tribologischen Eigenschaften von Bauteilen, in unserem Falle speziell von Werkzeugen, optimal zu bewerten. Ist das mikro­skopische Messverfahren mit seinen Mess­ergebnissen standardisiert und genormt, kann es als allgemein gültiges Kriterium für die Qualität zwischen Anbietern und Kunden sowie unter Auftraggebern und Zulieferbetrieben vereinbart werden. Das trägt dazu bei, die Qualität insbesondere von Zerspanwerkzeugen nochmals erheblich zu verbessern.» SMM

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