Swissmem-Zerspanungsseminar

Zerspanung im Zeichen des Schweizer Frankens

| Redakteur: Matthias Böhm

Das war Schwerstarbeit: Der Kabarettist Beat Ablanalp brachte die Teilnehmer des Swissmem-Zerspanungsseminars trotz Franken-Schock zum Lachen.
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Das war Schwerstarbeit: Der Kabarettist Beat Ablanalp brachte die Teilnehmer des Swissmem-Zerspanungsseminars trotz Franken-Schock zum Lachen. (Bild: Böhm)

Das 11. Swissmem-Zerspanungsseminar stand nicht nur im Zeichen «Neuer Technologien aus der Zerspanungstechnik», sondern ganz klar auch unter dem Aspekt des freigegebenen Franken-Kurses. Jetzt muss an allen Schrauben gedreht werden, um die Produktion auf Vordermann zu bringen, um die Schweizer Währung in die Schranken zu weisen. Am Swissmem-Zerspanungsseminar wurden hervorragende Beispiele präsentiert, wie die Fertigung perfektioniert werden kann.

Über 65 % des Schweizer MEM-Exports geht nach Europa, das zeigt den Stellenwert unserer direkten Nachbarn. Das ist angesichts des aktuell massiv erstarkten Schweizer Frankens eher eine Hiobs-Botschaft als eine Beruhigungspille.

Gleichwohl, jetzt den Kopf in den Sand stecken wäre die falsche Reaktion. Wie man es anders machen und seine Produktion auf Vordermann bringen kann, wurde am Swissmem-Zerspanungsseminar gleich mehrfach aufgezeigt, um Kosten zu sparen und somit wieder in die Zone der Wettbewerbsfähigkeit zu kommen.

Es muss massiv optimiert werden

Denn eins ist klar, bei einem Kursanstieg von 20 % gegenüber dem Euro, kann manches Unternehmen in die Verlustzone geraten, wenn nicht massiv optimiert wird. In unserer vierteiligen SMM-Serie (2. Teil SMM 04/2015) zum Swissmem-Zerspanungsseminar wird aufgezeigt, mit welchen Methoden die Fertigung optimiert werden kann.

In diesem ersten Teil werden wir über die Vorteile folgender Technologien berichten: Reibtechnologien, einfach nachrüstbare Innenkühlung, High-Feed-Cutting und Steilkegelaufnahme mit Plananlage. Das Unternehmen Urma machte als Spezialist von Werkzeugen für Präzisionsbohrungen den Anfang am Zerspanungsseminar.

Urma AG: Reiben bringt Prozesssicherheit

René Näf (Vizedirektor, Urma AG) zeigte auf, wie ein Feinbohrprozess optimiert werden kann. Und zwar nicht nur aufgrund einer perfektionierten Prozesssicherheit, sondern auch aufgrund einer massiv verringerten Fertigungszeit (siehe ausführlichen Praxisbericht in SMM 1/2, 2015).

R. Näf ging auf die Turbolader-Fertigung bei ABB ein. Hierbei handelt es sich um zwei Lagerstellen eines Verdichtergehäuses für Schiffsturbos. Die Auskraglängen der Reibwerkzeuge liegen bei 400 bis 600 mm in ISO 5 mit einer Oberflächengüte von Ra1.6, bei einem Durchmesser von zirka 100 mm. Bisher wurde das Turbogehäuse mit einem einschneidigen Ausdrehwerkzeug gefertigt, was relativ gut funktionierte. Nachteil: Der Prozess musste dringend vom Bediener überwacht werden. Der Feinbohrkopf musste drei bis vier Mal durch die Bohrung gefahren werden, nach jedem Durchgang musste die Bohrung erneut vermessen werden; das dauert und benötigt hohe Fachkenntnis des Bedieners.

In 0,47 Minuten statt 50 Minuten

Ziel war, den Prozess in der Art zu optimieren, dass die Prozesssicherheit optimiert wird. Urma entwickelte für diesen Prozess ein Reibsystem aus ihrem RX-Circotec-Reibahlen-Modul-Baukasten, das den Prozess in einem Durchgang reibt. Die bisherige Bearbeitungszeit wurde – dank dem Hochleistungsreiben – von 50 Minuten wurde auf 0,47 Minuten reduziert.

Das schnellste Reibwerkzeug der Welt

Laut R. Näf handelt es sich um das schnellste Reibwerkzeug, das am Markt derzeit erhältlich ist. Gegenüber dem Ausdrehen, wo die Toleranzverantwortung beim Bediener liegt, liegt die Toleranzverantwortung beim Reiben beim Werkzeughersteller. Erstmalig können die Schiffsturbogehäuse nahezu mannlos gefertigt werden.

Weitere Beispiele von Altlas Copco und aus der Automobilindustrie zeigen, dass Präzisionsbohrungen mit massiv geringeren Fertigungszeiten als auch erheblich besseren Prozesssicherheiten in unterschiedlichsten Bereichen herstellbar sind. Sowohl in der Kleinserienproduktion bei den Schiffsturbos bis hin zur Grossserienproduktion in der Automotive-Industrie.

Mannlose Fertigung von Feinbohrungen

Die modularen Reibwerkzeuge, erhältlich im Durchmesserbereich zwischen D = 11,9 und 140,6 mm, überzeugen durch ihr einfaches Handling, ihre hohe Prozesssicherheit und eine Wechselgenauigkeit der Schneiden von unter 4 μm. Nach Aussage von R. Näf wird das Reibsystem in Zukunft bis zu D = 7 mm nach unten erweitert. Bei nicht 100 % zentrischen Achsen können schwimmende Futter eingesetzt werden. Erfahrungen mit elastischem Schaft zeigen zum Teil ebenfalls bessere Ergebnisse. Weil die RX-Reibahlen derart gut vom Markt angenommen werden, verdoppelt die Urma AG derzeit ihre Produktionsfläche in Rupperswil (AG).

Rego-Fix: Kühlen Kopf bewahren

Rego-Fix aus Tenniken (BL) ist die Erfinderin der ER-Spannzangen und auch die Erfinderin der Powrgrip-Spannsysteme. Die ER-Spannsysteme haben von der Schweiz aus die Welt erobert, das Powrgrip-System ist an Spann-Perfektion kaum zu überbieten. Jetzt hat sich der Spannspezialist um den Kühlprozess von stehenden und rotierenden Werkzeugen Gedanken gemacht. Ein nachträgliches KSS-Nachrüst-System für ER-Spannsysteme, das die Anwender begeistert und einen enormen Nutzen bringt.

Unzureichende Kühlung bringt massive Nachteile

Tobias Haarmann, Leiter Marketing, ausgebildeter Maschinenkonstrukteur, bringt es auf den Punkt: Hohe Temperaturen oder massive Temperaturdifferenzen machen selbst Hochleistungs-Schneidstoffen bei Zerspanprozessen zu schaffen und sorgen für Mikrorisse und Veränderungen im Hartmetall-Gefüge. Hoher Werkzeugverschleiss, geringe Zeitspanvolumina und nicht zuletzt lange Maschinenstillstandzeiten wegen Werkzeugwechsel sind die Folge.

Recool-System bringt 2,5-fache Standzeit: von 8000 auf 20 000

Ein Beispiel macht klar, was die simple Nachrüstung bringt. Durch die Umrüstung von angetriebenen Werkzeugen auf IKZ mit Hilfe von Recool konnte bei der Fertigung von Füllstandsensoren (Bohrungsdurchmesser: D= 3,5 mm, Länge 23 mm, 4000 St./Tag) die Werkzeugstandzeit von 8000 auf 20 000 Stück angehoben werden, sagte Haarmann und führte weiter aus: Die Fertigungszeit konnte von 8,6 auf 2,0 s gesenkt werden. Auch die Koaxialität verringerte sich von 0,04 mm auf 0,02, was der Prozesssicherheit zugutekommt. Das war machbar allein durch das Recool-System, das eine Innenkühlung des Bohrprozesses ermöglichte.

Bei einem englischen Hersteller von hochwertigen Komponenten für die Luftfahrt konnten ebenfalls erhebliche Produktivitätssteigerungen erzielt werden. Auch hier wurde die Werkzeugstandzeit massiv verlängert, dank dem Nachrüsten von Recool.

Hochleistungszerspanung braucht massive Kühlung

Laut T. Haarmann mag das alleinige Ausrichten des Kühlmittelschlauchs auf den Zerspanprozess für den einfachen Handwerksbetrieb, bei dem das Dreh-Fräs-Zentrum zwei Stunden am Tag läuft, ausreichend sein.

Doch wenn es um Hochleistungszerspanung in Produktionsbetrieben geht, dann muss der Kühlschmierstoff mit Hochdruck so nah wie möglich an die Schneide herangeführt werden. Hier unterscheidet Haarmann zwei KSS-Zuführungen: die periphere Hochdruckkühlung parallel zum Werkzeugschaft direkt in den Zerspanungsraum oder Innenkühlung durch das Werkzeug. Für diese beiden hat Spanntechnikhersteller Rego-Fix diese «einfach geniale» Lösung für ER-Spannsysteme entwickelt.

Das patentierte, wartungsarme System besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Aussenkörper, welcher durch einen Schlauch an die Kühlwasserzufuhr angeschlossen wird, und dem rotierenden Innenkörper. Die rotierende Komponente übernimmt dabei die Funktion der Spannmutter und spannt das Schneidwerkzeug in der ER-Spannzange.

Sehr einfacher Umbau auf Innenkühlung

Das «Recool-System» ermöglicht einen Umbau in wenigen Handgriffen. Die bestehende ER-Spannmutter wird entfernt und stattdessen wird die Recool-Mutter aufgeschraubt. Jetzt wird nur noch der Verbindungsschlauch mit der Kühlwasserzufuhr des Werkzeugs verbunden und fertig. Das angetriebene Werkzeug ist nun für interne oder periphere Kühlung einsatzbereit.

Mit Recool können alle angetriebenen Werkzeuge mit Aussengewinde nach DIN 6499/ISO 15488 nachgerüstet werden, um die Vorteile der internen bzw. peripheren Kühlung nutzen zu können. Erhältlich ist das System für die ER-Grössen 16 bis 40 für das Einspannen von Werkzeugschäften von Ø 2,5 bis Ø 30,0 mm.

220 Mitarbeiter weltweit

Laut Stefan Weber (Leiter Entwicklung und Mitinhaber, Rego-Fix AG) läuft das System ganz hervorragend am Markt: Die Kunden, die es im Einsatz haben, sind begeistert. Gegründet wurde Rego-Fix 1950 von Fritz Weber, heute ist das Unternehmen noch immer in zweiter Generation familiengeführt. 220 Mitarbeiter arbeiten weltweit für den Spanntechnik-Spezialisten aus Tenniken.

Dixi Polytool: High-Feed-Fräsen für anspruchsvolle Zerspanung

Kevin Schüepp (Gebietsverkaufsleiter Ostschweiz) und Jonus Gegik (Gebietsverkaufsleiter, beide Dixi Polytool) zeigten die Vorteile des HFC-Fräsens auf, indem sie einen klassischen Fräser mit einem Highfeed-Fräser verglichen (HFC respektive HPC, High Productivity Cutting). Der Werkzeughersteller Dixi Polytool ist seit 1946 in der Medizinaltechnik, Uhrenindustrie und nicht zuletzt in der Automotive-Branche aktiv und verfügt über ein ausgezeichnetes Know-how in der Mikrobearbeitung, der Kleinstserienfertigung und schliesslich auch in der Massenproduktion von schwierigsten Werkstoffen.

High-Feed-Fräser

High-Feed Fräser sind ideal als sogenannte polyvalente Werkzeuge einsetzbar, die sowohl zum Schruppen als auch Schlichten genutzt werden können.

Das High-Feed-Fräsen unterscheidet sich vom klassischen Fräsen durch mehrere Aspekte. Die Schnittkräfte beispielsweise sind beim klassischen Schaft-Fräsen mehrheitlich radial, beim Kugelfräser sowohl axial als auch radial. Ganz anders beim High-Feed-Fräser. Hier sind die Schneidgeometrien so konzipiert, dass trotz des hohen Vorschubs die Kräfte mehrheitlich axial wirken. Das Zeitspanvolumen wird beim High-Feed-Fräsen, wie bereits der Name schon sagt, über den Vorschub generiert.

Ideal für höherfeste und gehärtete Stähle

Die Hochvorschub-Fräser von Dixi Polytool sind speziell konzipiert, um höherfeste und gehärtete Stähle effizient zu zerspanen. Sehr hohe Vorschübe, hohe Schnittgeschwindigkeiten und geringe axiale Eingriffstiefen charakterisieren das HFC-Verfahren.

Hochdynamische Maschinen erforderlich

Die Stärke des HFC-Fräsens liegt in seiner hohen Produktivität bei geringen Werkzeugkosten begründet. Entscheidend für das Verfahren sind hoch dynamische Werkzeugmaschinen mit hohen Beschleunigungen, um das Potential der HFC-Fräser ausschöpfen zu können.

Typisch für die HFC-Fräser ist, dass fast ausschliesslich der Stirnbereich der Fräser im Eingriff ist. Die hohen axialen Kräfte beim High-Feed-Fräsen liegen in der spezifischen Schneidengeometrie begründet.

Reduzierte Bearbeitungszeit: von 45 auf fünf Minuten

Entsprechend muss ein Feinstkorn-Hartmetall-Substrat verwendet werden, das die hohen Druckkräfte (Druckfestigkeit 7700 MPa) aufnehmen kann. Zudem zeichnen sich die Werkzeuge durch eine auf HFC-Bearbeitung ausgelegte temperaturfeste Beschichtung aus.

Mit dem Dixi-Werkzeug 7702 können bis zu 60 HRC bearbeitet werden. Am Beispiel eines Werkstücks aus gehärtetem Stahl 54 HRC konnte die Bearbeitungszeit dank der neuen Bearbeitungsstrategie von 45 min auf 5 min reduziert werden.

Ein weiterer Vorteil der Fräser sind ihre Vielseitigkeit: Helixbearbeitung ins Volle, Rampen, Planfräsen, Tauchfräsen ist machbar. Der Highfeed Dixi 7702 gibt es ab D = 1 mm bis 12 mm. Ein 0,5-mm-Durchmesser-HFC-Fräser ist bereits in Planung.

Kaiser Big-Plus: bis 5-faches Zeitspanvolumen

Der Werkzeug-Maschine-Schnittstelle wird zum Teil massiv zu wenig Aufmerksamkeit geschenkt, wenn man bedenkt, was mit der einfachen Wahl einer optimalen Schnittstelle aus dem Zerspanungsprozess rausgeholt werden kann, sagte gleich zu Beginn seines Vortrages Gennaro Teta, Vice President bei Kaiser Präzisionswerkzeuge AG. Das 170 Mitarbeiter starke Familienunternehmen in Rümlang verfügt über eine hoch effiziente Fertigung und betreibt Entwicklung und Produktion in der Schweiz.

Werkzeug-Maschine-Schnittstelle: grosses Potential

Wer will nicht ein bis zu 5-faches Zeitspanvolumen aus seinem Fertigungsprozess rausholen, ohne auf 5-fach so teure Werkzeuge zu setzen. Möglich macht das im Idealfall die Kaiser-Big-Plus-Schnittstelle, ein Steilkegel mit Plananlage, der den Zerspanprozess mit einfachsten Mitteln perfektioniert.

Am Beispiel einer Fräsanwendung konnte allein durch Einsatz der Kaiser-Big-Plus-Schnittstelle die radiale Zustellung ae eines Schaftfräsers (D= 12 mm, vf 50 m/min, U = 1327 1/min, Material C50) von 2,5 auf maximale 12 mm erhöht werden. Dadurch konnte ein 5-faches Zeitspanvolumen generiert werden. Dies vorallem durch eine steifere Maschine-Werkzeug-Schnittstelle.

Warum man der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Maschine mehr Aufmerksamkeit schenken sollte, liegt an folgendem Aspekt: die Biege-Momente infolge der Zerspankräfte sind in diesem Bereich am höchsten, weil sie sehr nahe am Spindellager sind.

Halbierter Durchmesser – 16-fache Durchbiegung

Aus diesem Grund spielt gerade hier der Querschnitt eine matchentscheidende Rolle, denn er geht mit der vierten (!) Potenz in das Flächenträgheitsmoment ein. Das ist mitentscheidend für die Durchbiegung von Werkzeugsystemen. Das heisst konkret: Halbiert sich der Durchmesser der Spindel-Werkzeug-Schnittstelle, wird die Durchbiegung um den Faktor 16 erhöht.

1+1 zusammenzählen

Jetzt muss man nur noch 1+1 zusammenzählen, was das für die Zerspanung bedeutet, wenn man mit schwachen Werkzeug-Maschine-Schnittstellen fräst. Das Fräsverhalten wird labil, Rattermarken treten auf, der Werkzeugverschleiss geht in die Höhe und nicht zuletzt werden auch die Spindellager übermässig belastet durch die auftretenden Schwingungen. Genau hier setzt der Steilkegel mit Plananlage ein, indem er fast den vollen Spindeldurchmesser nutzt.

Big-Plus ist Steilkegelsystem mit Plananlage,

Dank der Plananlage erhöht sich praktisch der Durchmesser in einem kritischen Bereich der Werkzeugaufnahme, wo die Biegekräfte am höchsten sind. Am Beispiel eines Standardsteilkegels SK40 erhöht sich der Durchmesser von D = 69,85, mit Plananlage auf D = 100 mm. Dadurch ergibt sich eine vier Mal höhere Steifigkeit. Am Bearbeitungsbeispiel mit einem Messerkopffräser zeigte Gennaro Teta, wie massiv die Unterschiede sind. Treten bei der Steilkegelaufnahme erhebliche Schwingungen und Rattermarken am Werkstück auf, kann mit dem Big-Plus-System bei gleichen Prozessbedingungen völlig problemlos ins Volle gefräst werden. Die Prozesssicherheit kann somit mit einem sehr einfachen Wechsel der Maschinen-Spindel-Schnittstelle massiv erhöht werden. Auch die Standzeiten der Werkzeuge als auch die Lebensdauer der Spindellager erhöhen sich, wenn eine steifere Schnittstelle verwendet wird.

Vorteil: Kaiser-Big-Plus baut kürzer als HSK

Gegenüber dem HSK, der ebenfalls über Plananlage verfügt, gibt es beim Big-Plus den Vorteil der gesamthaft kürzeren Bauweise. Das heisst, die Auskragung der Werkzeuge ist geringer, was sich ebenfalls positiv auf einen stabilen Fräsprozess auswirkt. Denn die Länge der Werkzeugauskragung geht mit der dritten Potenz in die Durchbiegung ein. Übrigens, wer ein solches Werkzeugsystem einmal in der Hand hatte, gibt es nie wieder her.

Das Unternehmen Kaiser Präzisionswerkzeuge AG wird in der 2. Familien-Generation geführt. Im Bereich des Ausdrehens ist das Unternehmen weltweit Marktführer. Technologisch geht es von 0,4-mm-Ausdrehwerkzeugen für die Uhrenindustrie bis hin zu Vier-Meter-Durchmesser-Systemen für die Grossindustrie. Dazwischen ist alles machbar in höchster Präzision. Zudem ist das Unternehmen im Bereich der Maschine-Werkzeug-Schnittstelle aktiv.

Wie diese vier Beispiele gezeigt haben, gibt es einige Möglichkeiten, seine Fertigung zu optimieren. Teilweise sogar mit einfachsten Mitteln realisierbar. <<

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