Gezielter Kühlmitteleinsatz mit bewährtem Haltersystem kombiniert

Kleinteilefertigung mit Hochdruck

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Durch Kombination des bewährte QS-Haltersystems mit mit Hochdruck-Kühlung haben Werkzeugspezialisten von Sandvik Coromant die Entwicklung eines völlig neuen Werkzeugs angestoßen – und eine neue Perspektive in der Zerspanung schwieriger Werkstoffe eröffnet. So konnte ein Dentaltechnikhersteller die Werkzeug-Standzeiten beim Langdrehen von Kleinteilen aus Titan vervielfachen.

Kühlschmierstoffe (KSS) sind seit Jahrzehnten ein fester Bestandteil der Metallzerspanung. Ihre Aufgaben sind vielfältig: Sie senken die Reibung zwischen Werkstück und Werkzeug und führen die bei der Zerspanung entstehende Wärme ab. Damit sorgen sie für bessere Werkstückoberflächen, weniger Werkzeugverschleiß, höhere Standzeiten sowie die zuverlässige Spanabfuhr und damit störungsfreie Bearbeitungsvorgänge. KSS tragen so entscheidend zur wirtschaftlicheren Zerspanung und reduzierten Betriebskosten bei. Zwar können einige Bearbeitungen auch ohne den Einsatz von KSS problemlos durchgeführt werden, bei vielen modernen Werkstoffen wie rostfreien Stählen oder Superlegierungen ist allerdings der gezielte Kühlmitteleinsatz für eine wirtschaftliche Fertigung unverzichtbar.

Seit einigen Jahren hat sich zunehmend die sogenannte Hochdruckkühlung durchgesetzt. Hierbei wird die Spanzone nicht einfach mit Kühlmittel geflutet, sondern der Kühlschmierstoff wird gezielt und mit Hochdruck zwischen Span und Werkzeugschneide gepresst. Der so entstehende hydrostatische Keil kann Standzeiten verlängern, den Spanbruch optimieren und so Effizienz und Zuverlässigkeit von Zerspanungsvorgängen weiter verbessern.
Maschinen- und Werkzeughersteller ermöglichen den Einsatz von Hochdruckkühlung durch entsprechend ausgerüstete Maschinen und spezielle Werkzeughaltersysteme. Die Zuführung des Kühlschmierstoffes erfolgt meist über die Werkzeugaufnahme, den Werkzeugrevolver und im günstigsten Fall über den eigentlichen Werkzeughalter. Dabei sind modulare Systeme, wie z. B. die Coromant Capto-Schnittstelle, die mit Düsen in unterschiedlichen Größen den Kühlmittelstrahl gezielt und mit hohem Druck in die Schnittzone einbringen, das optimale Mittel.
In der Serienfertigung von Kleinteilen auf Langdrehautomaten konnten die Vorteile der Hochdruckkühlung bislang nicht oder nur in Einzelfällen genutzt werden. „Doch gerade hier, wie zum Beispiel bei Anwendungen aus dem Bereich Medizintechnik, in denen häufig hochlegierte Werkstoffe verarbeitet werden, kann die Hochdruckkühlung mit erheblichen Vorteilen bei Spanbildung und Standzeiten sowie Bearbeitungsgeschwindigkeiten ungenutzte Potenziale ausschöpfen“, so Rainer Lich, Anwendungsspezialist beim Sandvik Coromant Vertragshändler R. Alfred Zimmermann KG in Dietzenbach.
Die in diesem Bereich verwendeten Werkstoffe neigen zu langen Spänen, die, wenn sie sich um Werkstück oder Werkzeug wickeln, zu Problemen und zu unnötigen Maschinenstillstandszeiten führen können. Lange Späne erzeugen außerdem eine erhöhte Reibung an der Wendeschneidplatte, was die Standzeit unnötig verkürzt. Daher können oftmals nicht die zur Spanbildung erforderlichen Parameter gefahren werden (Schnitttiefe, Vorschub, Eckenradien). Zu diesen schwierigen Werkstoffen zählt zum Beispiel X39CrNi13, ein zähes abrasives Material.
Für Rainer Lich und Theo Jörissen, Anwendungsspezialist für Gewindeschneid- und Stechwerkzeuge von Sandvik Coromant, kristallisierte sich während ihrer Zusammenarbeit in der Arbeitsgruppe „Kleinteilefertigung“ für dieses Problem eine Kombination aus zwei bestehenden Systemen als überaus geeignete Lösung heraus: Dabei herausgekommen ist eine innovative Werkzeuglösung, nämlich eine Verbindung aus QS-Halterystem und Hochdruckkühlung. Dadurch ist ein Werkzeug entstanden, das wie die Standardhalter eines QS-Systems sehr unkompliziert gewechselt werden kann – innerhalb von 30 Sekunden und ohne dass gleichzeitig der KSS-Anschluss demontiert werden muss . Zudem stellt es kein Problem dar, mit einem Schwesterwerkzeug zu arbeiten, da Standard QS-Halter und QS-HP-Halter ohne Wechsel des Stopps eingebaut werden können.
Das QS-Haltersystem ist eine auf Langdrehautomaten häufig eingesetzte Werkzeugschnittstelle, die einfache, präzise und schnelle Werkzeugwechsel ermöglicht. Diese Werkzeugmaschinen werden in der Kleinteilefertigung häufig genutzt und sind für den Einsatz von Hochdruckkühlung vorgerüstet oder lassen sich somit mit minimalem Aufwand darauf umstellen. Werkzeuge mit Hochdruckkühlung haben bereits in der Vergangenheit unter Beweis gestellt, dass sich der Einsatz von Hochdruckkühlung bei der Bearbeitung von schwer zerspanbaren Materialien positiv auf Standzeiten auswirkt und für kurze Späne sorgt.
Diese Vorteile der beiden Systeme konnten im neuen QS-System mit Hochdruckkühlung vereint werden. Dazu entwickelte das Team aus KTF-Spezialisten eine Schnittstelle, die auf Anhieb einen Kühlmitteldruck von 120 bar bewältigte. Für den Halter wurde die in der Kleinteilefertigung häufig verwendete Größe 12 x 12 mm gewählt. Bislang erhältliche Werkzeuge verfügen über eine starre Bohrung bzw. eine einstellbare Austrittsbohrung ohne Düse, das neue Werkzeug lehnt sich dagegen an das „große“ HP-System von Sandvik Coromant an und verfügt über bis zu drei Düsen, ohne Überschneidung des Kühlmittelstrahls und präzise ausgerichtet auf die Schneidspitze bei insgesamt möglichst kompakter Baugröße. Die Werkzeuge gibt es in den gängigen Schaftgrößen 10 mm, 12 mm und 16 mm.
Von der Entwicklung zur Fertigung
Ein langjähriger Kunde aus dem Bereich Kleinteilefertigung, die Firma Sirona Dentaltechnik aus Bensheim, erklärte sich aufgrund der gemachten positiven Erfahrungen mit den Werkzeuglösungen von Sandvik Coromant auf Anfrage von Rainer Lich bereit, gemeinsam mit dem Werkzeughersteller einen ersten Langzeittest durchzuführen. Für das neue Werkzeugkonzept war dies die ideale Feuertaufe, da zum einen die nötigen Langdrehautomaten mit Hochdruckkühlung zum Maschinenpark gehören sowie Materialien bearbeitet werden, die zu den schwer zerspanbaren Werkstoffen zählen.
Das Ergebnis fiel überraschend deutlich aus: Die Bildung von Spänen, die sich bislang um das Werkstück wickelten, konnte durch den Einsatz von der HP-Kühlung komplett verhindert werden. Die bisherige Standzeit, die bei etwa 100 Werkstücken lag, konnte durch den Einsatz des neuen HP-Werkzeugs um 300 Prozent gesteigert werden. Hier konnte darüber hinaus in einem weiteren Test eine 6-fach höhere Standzeit in Titan erzielt werden, und das mit einem „normalen“ Kühlmitteldruck von 8 bar.
Vom Drehen zum Stechen und Einstechen
Veranlasst durch die überzeugenden Ergebnisse, wurden weitere Prototypen mit verschiedenen Wendeplattensystemen produziert, wozu auch Halter für Abstechoperationen zählten. In diesem besonderen Fall kommt nur eine Kühlmitteldüse zum Einsatz, die den Kühlmittelstrahl so flach wie möglich zwischen den entstehenden Span und die Schneidplatte richtet.
Der erste Praxistest konnte auch mit diesen Werkzeugen bei einem langjährigen Kunden durchgeführt werden: Die Firma Geissler Präzisionsdrehteile in Bruchköbel fertigt hohe Stückzahlen aus anspruchsvollen Materialien und war bereit, in der Entwicklungsphase mit den neuen Werkzeugen zu arbeiten. Neben höheren Standzeiten und weniger Maschinenstillstandszeiten durch die sonst erforderliche manuelle Spanentfernung von den Werkzeugen glänzte die Lösung auch mit verbesserten Oberflächen.
Animiert durch die sehr positiven Ergebnisse gingen die Werkzeuge für das Stechsystem Corocut 3 beim Sonderwerkzeug-Kompetenzzentrum von Sandvik Tooling in Schmalkalden in die Produktion. Die Werkzeuge wurden daraufhin bei weiteren Kunden eingesetzt, die ähnliche Ab- und Einstechlösungen schon im Einsatz hatten. Auch hier lagen die Ergebnisse deutlich über den Erwartungen. Darüber hinaus wurde die neue Lösung in der Dentaltechnik noch einmal getestet. Dort setzte man bis dahin Standardwerkzeuge mit geschliffenen Wendeplatten ein, und bei der Zerspanung hochfester Materialien wurde mit kleinen Vorschüben und Drehzahlen gearbeitet. Anfangs wurden die Werkzeuge 1:1 ausgetauscht und durch den gezieltem Kühlmitteleinsatz ergänzt, aber mit gleichen Schnittwerten auf einer Maschine mit einer Standard-KSS-Anlage (6 bar) verwendet. Dabei unterschieden sich die erzielten Ergebnisse noch nicht entscheidend von den bisherigen.
Im nächsten Schritt wurden die Schnittwerte angepasst und der Vorschub um den Faktor 3 erhöht. Die wichtigste Änderung: die Standarddüse (1 mm) wurde durch eine kleinere Düse ersetzt (0,6 mm). Auf diesem Wege konnte auch mit dem normalen Kühlmitteldruck von 6 bar eine klare Verbesserung erreicht werden. Da die verschiedenen Düsendurchmesser zum Standardsortiment bei Sandvik Coromant gehören, ist die Anpassung der Düsen problemlos möglich. Kleine Durchmesser in der mittleren Düse können so den Kühlmittelstrahl zwischen Span und Wendeplatte „schießen“, und ein großer Durchmesser schafft mehr KSS zur Kühlung in die Schnittzone. Ein Lenken des Spans ist hier auch eine Möglichkeit, die Maschinenstillstandzeiten zu verringern.
Das Werkzeugprogramm QS-System mit HP-Option (High Precision / High Pressure) wird ab Frühjahr 2011 erhältlich sein. Für den weiteren Ausbau des Werkzeugprogramms besteht ein großes Potenzial, zum Beispiel durch die neuen Materialien in der Luft- und Raumfahrt sowie der Medizintechnik.
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