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Perspektiven des Wettbewerbfaktors Zerspanwerkzeug

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Perspektiven des Wettbewerbfaktors Zerspanwerkzeug

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Veränderte Marktsituationen durch eine zunehmende Globalisierung stellen an die Hersteller von Präzisionswerkzeugen für die Zerspanung höchste Ansprüche. Der Hochlohnstandort Deutschland, das Auftreten zugleich als Systemlieferant und als Sonderwerkzeughersteller, aber auch die Technologieführerschaft Europas sind Aspekte, denen die Hersteller gerecht werden müssen. Hierzu gehört ein innovatives, flexibles und Know-how-basiertes Agieren am Markt, um aktuelle und zukünftige Trends aufgreifen zu können.

Autoren: Prof. Dr.-Ing. Dirk Biermann Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Klaus Weinert ISF Dortmund

Insbesondere vor dem Hintergrund der stetigen Weiterentwicklung von Werkstoffen und Verfahren, international zunehmend schärferen Umweltauflagen sowie den immer kürzer werdenden Produktlebenszyklen bei vergleichsweise hohen Qualitätsanforderungen gilt es, die Zerspanwerkzeuge kontinuierlich weiterzuentwickeln und deren Vermarktung bedarfsgerecht anzupassen. Dabei ist es nach wie vor zwingend erforderlich, die Haupt- und Nebenzeiten zu reduzieren und den Prozessanforderungen durch angepasste Strategien zu begegnen, nicht zuletzt unter Einsatz einer Vielzahl von Simulationswerkzeugen. Als Beispiele sind hier Bearbeitungsaufgaben aus dem Werkstoffspektrum des Leichtbaus, die vielfältige Funktionsintegration moderner Kombinationsbearbeitungswerkzeuge und die Anforderungen an die Erzeugung frei geformter Bauteilflächen zu nennen. An Hand der im Folgenden aufgeführten Beispiele aus den Bereichen Bohren, Drehen, Fräsen und Schleifen werden aktuelle Entwicklungstrends für die spanende Fertigung aufgezeigt und diskutiert.
Bohren
Die Leistungsfähigkeit von Werkzeugen zur Bohrungsbearbeitung wurde in den letzten Jahren vor allem durch Innovationen im Bereich der Schneidstoffe und Beschichtungen deutlich erhöht. Die zunehmende Anpassung der Werkzeuge an die einzelnen, breit gefächerten Zerspanaufgaben stellt jedoch stets neue Anforderungen an die Werkzeuggestaltung. Ein Beispiel hierzu ist der Einsatz von Schneidkeramiken, für die heute viele erfolgreiche Anwendungen aus der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bekannt sind. Mit der Entwicklung von Bohrwerkzeugen, die aus einem Hartmetallschaft mit eingelöteten Keramikschneiden bestehen, wird es erstmals möglich, die Leistungsvorteile der Schneidkeramiken auch bei Bohroperationen im Durchmesserbereich unterhalb von 20 mm wirtschaftlich zu nutzen (Bild 1, links). Bei der weit verbreiteten Trockenbearbeitung von Grauguss können diese Werkzeuge mit keramischen Schneiden im Vergleich zu konventionellen Vollhartmetallbohrern bei deutlich höheren Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben eingesetzt werden. Neben einer Reduktion der Hauptzeit ist so selbst in vergleichsweise schwierig zu zerspanendem, steadithaltigen Material eine gute Bohrungsqualität zu erzielen. Zudem weisen die Verbundwerkzeuge aufgrund der hohen Warmhärte des keramischen Schneidstoffs ein erheblich günstigeres Verschleißverhalten auf.
Als ein wichtiges Hilfsmittel zur Entwicklung neuer Werkzeugkonzepte ist inzwischen die Finite-Elemente-Methode anzusehen. Zur Analyse der Strukturbeanspruchung beispielsweise an Bohrwerkzeugen werden dabei detailgetreue Berechnungsmodelle erstellt, welche eine Belastungsvorhersage erlauben, die sowohl die Einflussgrößen des Herstellungsvorganges analysiert und berechnet als auch die anschließenden Einsatzbedingungen abbildet und bewertet (vgl. Bild 1). Die kontinuierliche Weiterentwicklung der FE-Methodik lässt neben effizienteren Entwicklungsprozessen insbesondere eine deutlich schnellere Produktentstehung bei Zerspanwerkzeugen erwarten.
Drehen
Ähnlich den Entwicklungstendenzen der Bohrwerkzeuge ist auch bei den Drehprozessen eine deutliche Entwicklung in Richtung der Zerspanung anspruchsvoller Materialien zu verzeichnen. So nimmt beispielsweise der Trend zur Hartbearbeitung weiterhin zu. Durch die Zerspanung gehärteter Bauteile mit geometrisch bestimmter Schneide können große Zeitspanvolumina realisiert werden. In der Verfahrenskombination Drehen und Schleifen ist somit eine signifikante Verkürzung der Fertigungszeit bei gleichzeitig hoher Fertigungsqualität realisierbar. Problematisch wird der Fertigungsprozess, wenn randschichtgehärtete Bauteile bearbeitet werden sollen. Bei einer Randschichthärte von 700 bis 900 HV30 ist der Einsatz von CBN-Werkzeugen zu empfehlen. Diese sind jedoch für die „Weichbearbeitung“ nach dem Abtragen der gehärteten Randschicht ungeeignet. Besonders die Bildung ungünstiger Spanformen durch mangelnden Spanbruch macht den Prozess unsicher bis nicht beherrschbar. Daher sind zurzeit CBN-Werkzeuge mit eingearbeiteten Spanleitstufen in der Entwicklung. Zusätzlich erschwert wird die Problematik der Spanabfuhr vor dem Hintergrund zunehmender Forderungen nach dem Einsatz der Trockenbearbeitung. Eine interne Minimalmengenkühlschmierung (MMKS) ist derzeit noch nicht Stand der Technik. Aus diesem Grund wird ein zweikanaliges MMKS-System für Drehmaschinen entwickelt, bei dem Druckluft und Minimalmengenkühlschmierstoff im Drehmaschinenrevolver gemischt und durch die Werkzeugaufnahme und den Werkzeughalter gezielt auf die Wirkstelle geführt werden. Dadurch lässt sich sowohl die Bearbeitungstemperatur senken als auch der Spanfluss deutlich verbessern (vgl. Bild 2).
Fräsen
Bezüglich der Entwicklungstendenzen in der Fräsbearbeitung stehen Produktivitätssteigerungen durch die Reduzierung der Fertigungshauptzeiten sowie die Erhöhung der Effizienz der Werkzeuge im Fokus der Technologieentwicklung. Sowohl die Steigerung der Zerspanleistung als auch die Verringerung des Werkzeugverschleißes bei Einhaltung der geforderten Bauteilqualität bilden dabei den Schwerpunkt zukünftiger Werkzeugkonzepte. Neben dem Einsatz von Hochleistungsschneidstoffen und -Beschichtungen werden zur Erreichung dieser Zielsetzung auch spezialisierte Werkzeugbauformen verwendet, um die auftretenden Belastungen zu verringern bzw. aufnehmen zu können. Insbesondere bei der Finish- und Hartbearbeitung wie etwa im Gesenk- und Formenbau, können durch eine angepasste Werkzeuggestalt und Schneidstoffauswahl erhebliche Steigerungen der Zerspanleistung unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Prozesseinflussgrößen erzielt werden.
Darüber hinaus ist in Bezug auf die Prozessgestaltung und -auslegung für das Fräsen zukünftig mit einer Zunahme des Einsatzes von funktionsintegrierten Werkzeugsystemen für einen flexiblen, variantenreichen Fertigungseinsatz selbst bei kleinen Losgrößen zu rechnen. Erste Ansätze hierzu bestehen hinsichtlich des Einsatzes von Kombinations- und Universalwerkzeugen zur Einsparung von Werkzeugwechselzeiten und damit nichtwertschöpfenden Nebenzeitanteilen. Aus dieser Entwicklungstendenz heraus sind mittlerweile herstellerübergreifend und verfahrensunabhängig gesteigerte Aktivitäten zur schnellen und flexiblen Entwicklung von Kombinationswerkzeugen und verfahrensintegrierten Fertigungsprozessen zu beobachten. In ähnlicher Weise wie bei den Bohrprozessen wird auch beim Fräsen zukünftig verstärkt das Hilfsmittel der Prozesssimulation die Entwicklung angepasster Werkzeugkonzepte beeinflussen (vgl. Bild 3). Auf der Basis bereits entwickelter und experimentell validierter Simulationswerkzeuge wird es dann möglich sein, simulativ ermittelte Prozessvorhersagen zur thermomechanischen Beanspruchung des Werkzeuges bei dessen Entwicklung mit einfließen zu lassen.
Kombiwerkzeuge und Komplettbearbeitung
Möglichkeiten zu Prozesskettenverkürzungen bestehen derzeit beispielsweise in dem Einsatz von Kombinationswerkzeugen sowie der Realisierung kompletter Verfahrenskombinationen. Vor allem durch den Trend zu Kombinationswerkzeugen, wie etwa für das Bohrgewindefräsen oder modular aufgebauten Universalwerkzeugen, können Rationalisierungspotenziale hinsichtlich der Reduzierung von Haupt- und Nebenzeiten genutzt werden. Dabei ist der Fokus besonders auf die Reduzierung von Nebenzeiten gerichtet, da die Nebenzeitanteile häufig deutlich größere Einsparungspotenziale aufweisen. Von besonders hohem technologischem Interesse sind in diesem Zusammenhang die Zeitanteile für Werkzeugwechsel und Nebenbewegungen, die bezogen auf die gesamten Nebenzeiten zwischen 60 % und 70 % in einem Fertigungsprozess ausmachen. Durch Kombinationswerkzeuge oder Prozessintegrationen werden diese Zeitanteile aufgrund entfallender Werkzeugwechsel und Nebenbewegungen deutlich minimiert. Bild 4 verdeutlicht am Beispiel der Bohrungsfeinbearbeitung einerseits das konventionelle Vorgehen mittels Vorbohrer und Mehrschneidenreibahle und andererseits das Kombinationswerkzeug Bohrreibahle zur Komplettbearbeitung in einem Prozessschritt. Ähnliche Verfahrenskombinationen sind darüber hinaus auch bei den Verfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide zu erwarten bzw. bereits etabliert.
Schleifen
Für die Werkzeuge zur Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide ist ein zunehmender Trend zur Sicherstellung größerer Zeitspanvolumina ebenso wie höherer Genauigkeiten erkennbar, dem durch das Angebot geeigneter prozessspezifischer Werkzeuglösungen begegnet werden muss. Auch hierbei stellen Kombinationswerkzeuge, die eine Schruppbearbeitung zur Realisierung hoher Abträge und eine Schlichtbearbeitung zur Erzeugung höchster Oberflächenqualitäten ermöglichen, eine wichtige Alternative dar. Bild 5 zeigt hierzu beispielhaft ein Werkzeug zum Innenrund-Schälschleifen mit galvanischer Bindung, welches durch eine konische Schrupp- und eine zylindrische Schlichtzone gekennzeichnet ist.
Die Bearbeitung neuartiger Werkstoffe, wie beispielsweise faserverstärkter Keramiken, für die die Zerspanung mit geometrisch unbestimmter Schneide und geometrisch bestimmter Schneide im technologischen Wettbewerb stehen, erfordert innovative werkzeugtechnische Konzepte. So werden Schleifstifte in Hohlbohrerausführung erfolgreich zur Bohrungsfertigung in C/C-SiC-Keramik verwendet, Bild 6.
Insgesamt ist abzusehen, dass auch die Zerspanwerkzeuge mit geometrisch unbestimmter Schneide Teil immer komplexerer Prozessketten und -abläufe werden, die den Einsatz von Simulations- und Planungswerkzeugen notwendig machen. Deren Erstellung erfordert die Einbringung des spezifischen Know-hows der Zerspanwerkzeughersteller bereits in der Prozessplanungsphase. Die Anzahl der verfügbaren – meist verfahrensspezifischen – Simulationsmodelle und die Qualität der Simulationsergebnisse werden hierbei durch fortschreitende Entwicklung in der Industrie und der Forschung ständig vergrößert.
Fazit
Die Ausführungen zeigen exemplarisch die aktuellen Entwicklungen in der spanenden Fertigung, sowohl für Verfahren mit geometrisch bestimmter als auch geometrisch unbestimmter Schneide. Das Werkzeug als zentrales Element des Prozesses unterliegt dabei den hohen Anforderungen des jeweiligen Verfahrens und muss den Einsatzbedingungen entsprechend ausgelegt werden.
Nur durch konsequentes Weiterentwickeln von Werkzeugen zur Steigerung ihrer Leistungsfähigkeit und zur Beherrschung neuer Fertigungsaufgaben unter Einsatz von aktuellen Simulationswerkzeugen können sich Werkzeughersteller zukünftig erfolgreich am Markt behaupten.
Institut für Spanende Fertigung, Universität Dortmund Tel. 0231/7552783, Fax 0231/7555141 www.isf.de
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