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Alternative Fertigungsmethode für die Serie

Gewinderollen – schneller geht‘s kaum

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Gewinderollsysteme gehören zu den Kernkompetenzen der Firmengruppe LMT Tools: Die Vorteile des Gewinderollens sind sehr kurze Fertigungszeiten bei sehr hoher Gewindefestigkeit, konstanter Maßhaltigkeit und sehr guter Oberflächenqualität. Das Gewinderollen reduziert, weil keine Späne anfallen, zudem den Materialverbrauch. Autor: Dr. Diethard Thomas, LMT Consultant

Seit mehr als 60 Jahren werden die Rollköpfe von LMT Fette in der Industrie eingesetzt. Mit den Verfahren Axialrollen, Tangentialrollen und Radialrollen (Bild 1) werden wesentlich Massenbauteile bearbeitet, bei denen es auf Gewindesicherheit bei hoher Wirtschaftlichkeit in der Produktion ankommt. Typische Werkstückbeispiele sind Achsschenkel, Lenkritzel, Injektorkörper, Fahrradspeichen, Fittings oder Rippenstahl. Durch die Möglichkeiten zum Rändeln, Kerbverzahnen, Glätten und Kugelglätten sowie zum Reduzieren von Rohren und für konische Profile wird das Anwenderportfolio noch erweitert. Gewinderollen ist dabei keine Zauberei, auch wenn die vielen Anwendungsmöglichkeiten und die sehr kurzen Fertigungszeiten dies vermuten ließen. Die Hauptzeiten liegen beim Gewinderollen in der Regel unterhalb 1 Sekunde, beim Gewindeschneiden (Strehlen) sind diese mindestens 5 bis 20 mal höher.

Außengewinde und Profile in Höchstgeschwindigkeit
Anhand eines Musterwerkstücks soll die Effizienz des Rollens exemplarisch demonstriert werden (Bilder 2 und 3). Dabei sind insbesondere die sehr kurzen Bearbeitungszeiten bemerkenswert (siehe Tabelle).
Nicht nur die kurzen Fertigungszeiten senken die Produktionskosten erheblich, sondern auch die langen Standzeiten der Gewinderollen. So konnten bei Gewinden M 20×1,5 in dem Material 9SMn28 immerhin Standmengen von 250 000 Stück erreicht werden. Natürlich sinkt die Standmenge bei Materialien mit höherer Festigkeit. Um auch hier das Leistungsniveau zu heben, wurde von LMT Fette eine Beschichtung für Gewinderollen entwickelt, die Protec Power. Damit lässt sich die Standzeit bei höher festen Werkstoffen (max. 1700 N/mm2) immerhin noch um 30 % steigern, im Vergleich zu unbeschichteten Rollen.
Auch bezüglich der Dauerfestigkeit des erzeugten Gewindes selbst ist das Gewinderollen beinahe unschlagbar. Sie ist in der Regel drei mal so hoch wie bei einem spanend hergestellten Gewinde. Die Ursache dafür liegt in der unterschiedlichen Ausbildung der Materialfasern.
Der Werkstoff wird bei der Kaltmassivumformung durch Druck der Gewinderollen über die Elastizitätsgrenze hinaus beansprucht und dadurch plastisch, das heißt bleibend verformt. Bei der Profilierung werden also die Materialfasern nicht zerschnitten, wie bei der Zerspanung, sondern verlagert und verdichtet. Aufgrund der höheren Gewindefestigkeit wird das Fertigungsverfahren „Gewinderollen“ bei Sicherheitsbauteilen oftmals sogar vorgeschrieben. Und nicht zuletzt ist die erzeugte Oberflächenqualität ein kennzeichnendes Merkmal. Gerollte Gewinde besitzen eine maximale Rautiefe Rt zwischen 1 und 4 µm. Damit ist die Oberfläche gleich oder besser als bei einem geschliffenen Gewinde.
Bedienerfreundlichkeit steht im Fokus
Obwohl Gewinderollen bereits ein sehr effizientes Verfahren zur Außengewindeherstellung ist, waren die Entwicklungsexperten mit den bisher erreichten Leistungsdaten noch nicht zufrieden. Die Bedienerfreundlichkeit der Rollköpfe bot hierzu noch Potenzial. Das Resultat war der neu konstruierte Axialrollkopf Evoline (Bild 4). Zu den Leistungsmerkmalen des neuen Rollkopfes zählen vor allem die sehr einfache und trotzdem sehr präzise Feineinstellung des zu rollenden Werkstückdurchmessers sowie die Montagefreundlichkeit des Systems, basierend auf seiner modularen Bauweise.
Ein großer Schritt zu einer deutlich erhöhten Prozesssicherheit ist mit dem Späneschutz in den Evoline-Rollköpfen gelungen. Späne und andere Partikel aus Vorprozessen können nicht mehr in den Rollkopf eindringen – auch nicht bei geöffneter Kupplung. Auch die optisch ansprechende Oberflächenbehandlung des Werkzeugs trägt zum Schutz bei.
Die Axial-Rollköpfe von LMT Fette öffnen sich nach dem Rollvorgang selbsttätig. Für das nächste Gewinde müssen die Gewinderollen wieder in Arbeitsstellung gebracht werden, d. h. der Rollkopf muss geschlossen werden. Die im Standardlieferumfang enthaltene, komplett neu gestaltete Schließschelle der Evoline Axial-Rollköpfe ermöglicht bereits eine anwenderfreundliche Gestaltung des Prozesses zum Schließen des Rollkopfes nach dem Rollvorgang.
Eine weitere, deutliche Optimierung des Prozesses zum Schließen des Rollkopfes bietet die neue kühlmittelbetriebene Schließeinrichtung KSE. Einmal zwischen Rollkopf und Schaft adaptiert und an die Kühlmittelzufuhr angeschlossen, kann der Schließvorgang aus der Prozesszeit in die Nebenzeit der Maschine verlagert werden.
750 000 Euro pro Jahr gespart
Mit dem Evoline hat sich innerhalb seiner relativ kurzen Marktpräsenz ein neues Leistungsfeld etabliert: In bisher mehr als 1000 Anwendungen konnten sich die Kunden von seiner gesteigerten Effizienz überzeugen.
In einem Praxisbeispiel rollt ein Automobilzulieferer Gewinde M12 x1,5, Gewindelänge 30 mm, auf Kolbenstangen und setzte dafür bisher Axialrollköpfe der älteren Bauart ein. Das Schließen des Rollkopfes erfolgte dabei taktil durch Verfahren des Rollkopfes in ein angeschrägtes Rohr unter Verwendung eines Schließstiftes.
Dieser Prozess sollte optimiert werden, und die Anwendungsexperten der LMT präsentierten den Evoline mit kühlmittelbetriebener Schließeinrichtung KSE. Damit konnten die zusätzlichen Verfahrwege zum Schließen des Rollkopfes eingespart werden. Die gesamte Prozesszeit – bestehend aus Rollkopfanfahrt, Gewinde rollen (ca. 1,5 Sekunden), Verweilzeit und Rücklauf – konnte mit dem neuen System von 10 auf 7 Sekunden reduziert werden. Das bedeutet pro Gewinde 3 Sekunden Einsparung an Prozesszeit zum Schließen des Rollkopfes. Und bei 9 Millionen Gewinden pro Jahr senkt das die ohnehin vergleichbar niedrigen Fertigungskosten beim Gewinderollen nochmals signifikant um fast 750 000 Euro pro Jahr.
Inzwischen wurde ein weiterer Schritt zur Effizienzsteigerung bei der spanlosen Gewindefertigung präsentiert: Das Konzept CT-Line (Customized Tangentialrollköpfe). „Customized“ bedeutet die kundenindividuelle Problemlösung durch modifizierte Standardrollköpfe. Die Vorteile dieses Konzepts sind eine noch höhere, maßgeschneiderte Fertigungsleistung der Werkzeuge, verglichen mit klassischen Sonderlösungen. Dabei werden die kundenspezifischen Anforderungen an das Bauteil, an die Werkzeugmaschine und den Bearbeitungsprozess sowie an die individuellen Kundenziele fokussiert und abgestimmt. Bereits kleinere Änderungen in den Werkzeugbaumaßen, der Werkzeugstabilität oder der Kühlmittelzufuhr können die Effizienz der Rollköpfe signifikant steigern oder gegenüber Standardlösungen überhaupt erst möglich machen.
Zur schnelleren Lösungsfindung wird auch das additive Fertigungsverfahren 3D-Druck einbezogen. Material- und Gewichtseinsparung durch Hohlräume in den Bauteilen generieren weitere Vorteile dieses Verfahrens, auch bezüglich weiterer Ressourceneffizienz. Mit dem 3D-Druck können auch sehr schnell Funktionsmuster erzeugt werden, die dem Kunden nicht nur einen visuellen Eindruck vom Werkzeug vermitteln, sondern auch die realisierbaren Baumaße in seiner Maschine überprüfen lassen.
In Bild 5 ist als Beispiel ein Tangential-Gewinderollkopf mit Halter von LMT Fette dargestellt. Das transparente Oberscharnier mit integrierter Kühlmittelzufuhr entstand im 3D-Drucker. Ebenso wurde für einen ähnlichen Rollkopf der Halter produziert, bereits aus Stahl und voll funktionsfähig. Das Gewicht des Rollkopfhalters konnte dabei um 43 % reduziert werden. ■
LMT Tool Systems GmbH www.lmt-tools.de
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