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Gratbeherrschung in der Bohrungsbearbeitung mit Wendeschneidplatten-Bohrern

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Gratbeherrschung in der Bohrungsbearbeitung mit Wendeschneidplatten-Bohrern

Beim Bohren entstehen Grate am Bohrungseintritt und -austritt, die sich nie ganz vermeiden lassen. Der beste Weg, die erheblichen Kosten fürs Entgraten zu reduzieren, führt über Gratminimierung durch Gratvermeidung. Ein wirkungsvoller Ansatz lässt sich im Bereich der Werkzeuge und ggf. Bearbeitungsparameter finden. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die Schneidengeometrie.

Autor: J.Kruszynski, Komet Group

Art und Form eines Grates, wie er in der spanenden Metallbearbeitung entsteht, sind definierbar. Nachzulesen in der DIN. Dagegen ist schon schwerer zu definieren in welcher Ausprägung ein Grat, etwa beim Bohren, entsteht. Zu viele Parameter spielen eine Rolle, die sich im Lauf einer Serienproduktion sogar noch ändern können. Auch der Aufwand von Maßnahmen zur Gratvermeidung bis zu seiner Entfernung ist nicht einfach darzustellen. Hier schwanken die Angaben zwischen immerhin 20 bis 40 % der Kosten der mechanischen Fertigung. Einer der Faktoren, der die Gratbildung beeinflusst, ist die Werkzeuggeometrie. Wendeschneidplatten von Komet mit der Geometrie 33 reduzieren die Gratbildung erheblich.
Als Grat wird der Werkstoff definiert, der während des Zerspanungsprozesses ausweicht und an den Kanten des Werkstücks verbleibt. In der Praxis betrachtet man hauptsächlich Grathöhe und -breite. Eine umfassendere Beschreibung liefert die DIN ISO 13715 (Bild 1).
Beim Bohren entstehen Grate am Bohrungseintritt und -austritt, die sich nie ganz vermeiden lassen. Entscheidend ist, dass die Funktionsfähigkeit des Endprodukts nicht negativ beeinträchtigt wird und dass keine Verletzungen beim Handling der Werkstücke entstehen können. Oft sind es auch ästhetische Gründe, die Maßnahmen zur Gratvermeidung oder -entfernung notwendig machen. Die Anforderungen der Industrie, in welchem Umfang ein Grat zugelassen sprich toleriert werden kann, sind sehr unterschiedlich. Während sehr stabile Grate mit geraden Abrisskanten bei Lagern eher als nicht störend eingestuft werden, sind kleine brüchige Grate bei der Nockenwelle unbedingt zu vermeiden. Bei innen liegenden Bohrungskreuzungen wie etwa in Hydraulik- oder Motorblöcken wird ein Grat sogar zur echten Herausforderung, besonders was seine Erkennung und seine Beseitigung betrifft. Viele Produktionsteile müssen zu 100 % entgratet werden. Hinzu kommt vor allem bei qualitätsrelevanten Teilen eine aufwändige visuelle oder manuelle Kontrolle.
Faktoren zur Gratbildung
Die wichtigsten Einflussfaktoren für eine Gratbildung sind die Werkstoffeigenschaften (Umformvermögen, Festigkeit), Werkstückgeometrie, Prozessparameter wie Schnittgeschwindigkeit, Vorschub, Schnitttiefe, Kühlbedingungen sowie Werkzeuggeometrie und -verschleiß. All diese Faktoren beeinflussen sich gegenseitig, was allgemeingültig eine Beschreibung der Gratbildung und daraus eine Ableitung zur Gratvermeidung schwierig macht.
Die Möglichkeiten der nachträglichen Gratentfernung sind vielfältig, bedeuten aber in jedem Fall zusätzliche Kosten. Häufig kommen dazu noch erhebliche Anstrengungen zur Graterkennung und dessen Beurteilung, wie etwa im Fall sich kreuzender Bohrungen, wo in der Werkstückkontrolle mit Hilfe von Endoskopie oder anderen Sensoriklösungen gearbeitet werden muss.
Prävention
Auf Grund der hohen Kosten für das nachträgliche Entgraten eines Werkstücks versucht man bereits im Vorfeld durch konstruktive Bauteilgestaltung, beispielsweise das Anbringen von Fasen, die Gratbildung oder zumindest deren Auswirkungen auf die Bauteilfunktion zu reduzieren. Komplexe Formen, Funktionsflächen oder konvexe beziehungsweise konkave Oberflächen verhindern dies jedoch meist (Bild 3).
Gratminimierung durch angepasste Schneidengeometrien
In einer Versuchsreihe im Tech-Center der Komet Group in Besigheim mit Wendeschneidplatten-Bohrern wurde die für Gratminimierung entwickelte Schneidengeometrie 33 mit herkömmlichen Wendeschneidplatten in Abhängigkeit des Vorschubs verglichen.
Das Versuchswerkstück bestand aus einem nichtrostenden, austenitischen Stahl X6 CrNiMoTi 17 12 2 (1.4571). Einem Werkstoff, der auf Grund seiner Legierung sowie seiner mechanischen und physikalischen Eigenschaften als schwer zerspanbar gilt. Typisch für austenitische Stähle bei Raumtemperatur sind niedrige Streckgrenze, relativ hohe Zugfestigkeit und sehr hohe Dehnung, wodurch die Gratbildung begünstigt wird. Den Einfluss der Schnittgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom Vorschub hat man als marginal eingestuft (Bild 4).
Der Vorschubwert f wurde von 0,08 mm bis 0,16 mm gesteigert, wobei die Schnittgeschwindigkeit vc mit 160 m/min konstant blieb. Die zu vergleichenden Wendeschneidplatten unterschieden sich in ihren Schneidgeometrien wesentlich durch die Ausbildung der Schneidenecke, der Schneidkantenverrundung und des Spanwinkels (Bild 5) und (Bild 6).
Im Ergebnis erreicht die Geo 33 eine wesentlich geringere Gratbildung. Wie zu erwarten, wächst die Grathöhe mit steigendem Vorschub.
Ab einem bestimmten Vorschub, hier f = 0,12 mm, ist kein signifikanter Anstieg der Grathöhe bei den Geometrien 01 und 21 zu verzeichnen.
Die für die Gratminimierung entwickelte Geo 33 zeigt bis zum Vorschubwert f = 0,12 mm eine nahezu konstante Gratentwicklung. Erst bei einem Vorschub von f = 0,16 mm ist ein Anstieg der Grathöhe zu verzeichnen, jedoch auf wesentlich geringere Werte als bei den Geometrien 01 und 21. Ein ähnliches Verhalten ist beim Einsatz dieser Geometrie in Vergütungsstählen, Einsatzstählen und Sphäroguss zu beobachten. Die Geometrie 21, die durch eine geringere Verrundung der Schneidkante und einem positiven Spanwinkel von 18° gekennzeichnet ist, erzeugt ähnliche Grathöhen wie die Geometrie 01 mit höherer Verrundung und geringerem Spanwinkel. Allerdings nimmt die Breite der erzeugten Grate ab, die dadurch einfacher zu entfernen sind.
Die Erkenntnisse dieser Versuchsreihe wurden auch auf andere Schneidentypen übertragen. Ein Beispiel ist die Herstellung von Befestigungsbohrungen in Hydraulikkomponenten mit einem KUB Duon. (Werkstoff: GJS500, vc = 100 m/min, f = 0,25 mm) (Bild7)
Ebenfalls umfassende Erfahrungen wurden bereits im Bereich der mit PKD bestückten Werkzeuge für die Aluminiumbearbeitung gesammelt. Um auch hier die Gratbildung und den Spanablauf positiv zu beeinflussen, werden diese mit gelaserten oder geschliffenen Spanleitstufen versehen (Bild 8).
Komet Group GmbH Tel. 07143/3730, Fax 07143/373233 www.kometgroup.com
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