Für sein neues Maschinenkonzept DECO 2000 hat die Schweizer Tornos-Bechler S.A. das Innen- und Außengewindewirbeln von Werkstücken aus Titanlegierungen oder anderen rostfreien Werkstoffen weiterentwickelt und auf die NC-basierte DECO-Baureihe übertragen.
Das Gewindewirbeln stellt im Prinzip ein zirkulares Gewindefräsen mit einem gewuchteten Ein-, Zwei- oder Dreizahn-Fräswerkzeug dar. Das ortsfeste Wirbelwerkzeug macht dabei sehr hohe Umdrehungsfrequenzen, während das Werkstück mit deutlich geringeren Drehzahlen beaufschlagt wird und im Gleich- oder Gegenlauf mit dem Betrag der Gewindesteigung je Werkstückumdrehung axial bewegt wird.
Voraussetzungen für das Gewindewirbeln
Eine Drehmaschine, auf der Innen- und Außengewinde durch Wirbeln erzeugt werden soll, muß folgende Voraussetzungen erfüllen:
– zwei gegenüberliegende Spindeln,
– hohe Umdrehungsfrequenz der starr fixierten Werkzeugspindel (für das Innengewindewirbeln mindestens 12 000 min-1),
– Werkzeugspindel mit numerisch gesteuerter Querachse und Einstellung des Steigungswinkels nach beiden Richtungen zur Herstellung von Rechts- und Linksgewinden,
– langsamdrehende Werkstückspindel, numerisch steuerbar in der Drehachsrichtung.
Um diese Bedingungen zu erfüllen, muß eine DECO-Drehmaschine für das Innen- und Außengewindewirbeln mit einer entsprechenden Steuerungssoftware und mit der notwendigen Mechanik ausgerüstet sein.
Der Einbau der Mechanik läßt sich am günstigsten bei einer Neumaschine verwirklichen, allerdings ist eine Nachrüstung ebenfalls möglich. Darüber hinaus erlaubt es das DECO-Konzept, Innen- und Außengewinde sowohl frontseitig mit der Hauptspindel als auch abstichseitig mit der Gegenspindel herzustellen.
Werden lange Außengewinde in Titanwerkstoffen auf einem Langdrehautomat durch Fräsen oder Strehlen erzeugt, ist der Außendurchmesser auf Gewindemaß vorzudrehen. Beim Gewindewirbeln von Außengewinden auf den DECO-Langdrehautomaten läßt sich das Gewinde dank der Führungsbuchse direkt ins volle Material einbringen. Dadurch erhöht sich die Maßgenauigkeit des erzeugten Gewindes. Beispielsweise liegt die Parallelität eines auf einer DECO 10 in einem Titanwerkstoff erzeugten Gewindes innerhalb einer Abweichung von 0,01 mm, bezogen auf eine Länge von 100 mm.
Gewindewirbeln von Innengewinden
Für das Innengewindewirbeln werden Hochfrequenzspindeln bis 30 000 min-1 verwendet, so daß an der Schneide Schnittgeschwindigkeiten bis 200 m/min entstehen. In kleinen schlanken Teilen wird ein Innengewinde in vier Schritten hergestellt (Bild 2):
– Positionieren der Werkstückbohrung vor dem sich mit hoher Umdrehungsfrequenz drehenden Werkzeug.
– Vorschieben des Werkstücks im beweglichen Spindelstock so, daß das rotierende Werkzeug eine Gewindesteigung vor dem Bohrungsgrund steht.
– Langsames Rotieren des Werkstücks – je nach Gangrichtung des Gewindes – in gleicher oder entgegengesetzter Drehrichtung wie das Werkzeug; gleichzeitiges Eindringen des Werkzeugs ins Material mit einer einmaligen gewindetiefen radialen Vorschubbewegung.
– Zurückziehen des Werkstücks bei Unveränderlichkeit der Werkzeugposition mit einem Vorschub von einer Gewindesteigung je Werkstückumdrehung unter Beibehaltung der hohen Drehzahl des Werkzeugs und der niedrigen Drehzahl des Werkstücks.
Aufgrund der hohen Werkzeugrotation läßt sich der entstehende staubförmige Zerspanungsgries leicht mit Kühlschmieröl aus der Bohrung herausspülen. Die Zufuhr des Schneidöls an die Schneide geschieht durch ein 0,2 bis 0,3 mm dünnes Rohr, das mit einem Öldruck bis 15 bar beaufschlagt wird.
Infolge der feinkörnigen Zerspanung sind gewirbelte Innengewinde gratfrei. Sie sind in bezug auf Gewindetiefe, Gewindedurchmesser und Oberflächengüte hochwertiger als durch andere Verfahren hergestellte Gewinde. Außerdem lassen sie sich bis zu 60% schneller als durch jedes andere Gewindeherstellverfahren erzeugen. Innengewinde können auf den DECO-Langdrehautomaten bis zu einem kleinsten Durchmesser von 1,4 mm und Gewindetiefen bis zum dreifachen Wert des Gewindedruchmessers hergestellt werden. Werden Werkzeug, Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Schneidölschmiersystem optimal aufeinander abgestimmt, dann erreicht beispielsweise ein zweischneidiges Innenwirbelwerkzeug bei Titanwerkstücken eine Standmenge von 2500 Stück.
Gewindewirbeln von Außengewinden
Das Außengewindewirbeln wird mit einem glockenförmigen Apparat durchgeführt. Er ist mit drei nachschleifbaren Schneiden mit identischem Profil bestückt. Diese glockenförmige Anordnung der Schneiden bewirkt einen gleitenden Eingriff (Bild 3), so daß am Gewinde infolge der hohen Geschwindigkeiten zum gegenlaufenden Werkstück keine Spanflächenfacetten entstehen. Der Gewindewirbelapparat wird in die mit einer Umdrehungsfrequenz bis 12 000 min-1 umlaufenden Werkzeugspindel des Frontapparats eingesetzt, die unter dem Steigungswinkel des Gewindes zur Werkstück-Drehachse manuell angestellt wird.
Das Anfertigen eines Implantat-Außengewindes läßt sich beispielsweise in vier Schritte aufteilen (Bild 4):
– Gegebenenfalls Andrehen des Gewindekopfes mit einem Drehmeißel.
– Positionieren der schnell rotierenden, unter dem Steigungswinkel des Gewindes angestellten Werkzeugspindel vor der Spitze des Werkstücks, das sich langsam gegenläufig dreht.
– Vorschieben des Werkstücks mit einem Vorschub von einer Gewindesteigung je Umdrehung. Während der Gewindeherstellung ist stets nur eine der drei Schneiden im Eingriff.
– Radiale Querbewegung der Werkzeugspindel und schneller Rückzug der Werkstückspindel nach Erreichen der vollen Gewindelänge von maximal 30 mm.
Neben zylindrischen Außengewinden läßt sich durch Interpolation der Werkzeugquerachse während des Bearbeitungsvorgangs auch ein Kegelgewinde herstellen. Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß das Außenwirbelwerkzeug bis zu 40 mal nachschleifbar ist. Da das Zahnprofil der Schneiden das Gewindeprofil bestimmt, ist nahezu jede Gewindeform problemlos herstellbar.
Facettenfreie Gewindeoberflächen
Ein weiterer Vorteil des Außengewindewirbelns ist die hohe facettenfreie Gewindeoberflächengüte. Außerdem lassen sich in der Serienfertigung durch entsprechende Winkeleinstellung der Werkzeugspindel sowohl Rechts- als auch Linksgewinde fertigen. Und das Verfahren ermöglicht das Herstellen eines Gewindes hinter einem Bund oder einem Schraubenkopf.
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