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Umformen und Spanen auf BAZ

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Die Möglichkeit, Umformoperationen auf Fertigungszentren durchzuführen, wird relativ wenig genutzt, obwohl die kaltumformende Bearbeitung oft unumgänglich ist, wenn einbaufertige Teile produziert werden sollen. Bei der Kaltumformung muß die Lagerung der Arbeitsspindel nicht unerhebliche radiale und axiale Kräfte aufnehmen. Besonders gut eignen sich hierfür vertikale Bearbeitungszentren, die nach dem Fahrständer-Prinzip gebaut sind, weil sie eine hohe Stabilität und genügend Flexibilität aufweisen.

Autor: Dipl.-Ing. Victor Boetz

CNC-Fertigungszentren sind vorzugsweise für die spanenden Bearbeitungen wie Zentrieren, Bohren, Fräsen, Drehen, Gewinden usw. konzipiert. Für Umformoperationen werden die Kaltformwerkzeuge ebenso wie die spanenden in das Fertigungszentrum eingebracht, programmiert und nach Bedarf abgerufen, eingesetzt und nach Beendigung des Arbeitsganges in das Werkzeugmagazin wieder abgelegt.
Glattwalzen
Das Glattwalzen mit stehendem Werkstück und umlaufenden Glattwalzwerkzeug kann heutzutage problemlos durchgeführt werden. Das Glattwalzen ist ein spanloses Bearbeitungsverfahren mit dem Ziel, funktionsgerechte Oberflächen mit geringer Rauheit Rt = 0,3 bis 0,5 µm, hohem Traganteil tp bis 95% und Steigerung der Härte in der Randschicht (je nach Werkstoff bis 100%) herzustellen.
Die glattzuwalzenden Partien können bei rotationssymmetrischen Teilen innen oder außen liegen, z.B. bei Bohrungen, Sackbohrungen, abgesetzten Bohrungen, Konusbohrungen, Innenradien oder an Zapfen, Kegelpartien, Außenradien, Außenkugelflächen oder an kombinierten Bohrungen mit Planflächen.
Die Vorteile des Glattwalzens sind: äußerst kurze Bearbeitungszeiten, hohe
Verschleißfestigkeit und Wirtschaftlichkeit, wobei alle plastisch verformbaren
Werkstoffe glattgewalzt werden können. Die in Frage kommenden Werkstückpartien bedürfen allerdings einer entsprechenden spanenden Vorbearbeitung, bei der Toleranzen größer als 0,05 mm zu vermeiden sind.
Die Forderung, Werkstücke einbaufertig und möglichst in einer Aufspannung
zu bearbeiten, hat zur Folge, daß auch Arbeitsgänge der oben genannten spanlosen Bearbeitung in den Ablauf des spanenden Programms mit einbezogen werden müssen.
Die hierfür erforderlichen Werkzeuge werden nach den Anwendungsmöglichkeiten in die folgenden fünf Hauptgruppen eingeteilt:
• Glattwerkzeuge zur Gewinnung äußerst glatter Oberflächen jeglicher Art, auch Rollenglättwerkzeuge genannt;
• Maßwalzwerkzeuge zur Erzeugung maßgenauer Werkstücke;
• Aufdornwerkzeuge zur Herstellung druckdichter Oberflächen;
• Festwalzwerkzeuge zur Erhöhung der Dauerfestigkeit;
• Roll- und Dornwerkzeuge zur Herstellung von Außen- und Innengewinden.
Die bisher hauptsächlich mit großem Erfolg angewandten Arbeitsgänge auf Fertigungszentren werden in den folgenden Abschnitten genauer beschrieben. Dabei wird deutlich, daß die Glattwalzwerkzeuge im Kaltumformverfahren bedeutend leistungsfähiger und wirtschaftlicher sein können als die normalen Werkzeuge der spanenden Bearbeitung, die in manchen Fällen sogar von vornherein ausscheiden.
Kombinierte Schäl- und Glattwalzwerkzeuge
Kombinierte Schäl- und Glattwalzwerkzeuge (Bild 1) erlauben die Endbearbeitung von Durchgangsbohrungen in einem einzigen Arbeitsgang. Die hierdurch erzeugten Oberflächen sind dichtungsfreundlich und durch hohe Härte verschleißfester. Das pendelnd geführte Schälmesser ist im Durchmesser verstellbar. Es werden Hartmetall-Wendeschneidplatten verwendet. Der kleinste Bearbeitungsdurchmesser beginnt ab 38 mm und endet bei ca. 300 mm. Die Werkzeugaufnahmen sollten auf keinen Fall unter SK 40 liegen. Diese kombinierten Werkzeuge erfordern einen sehr hohen Kühlschmierstoffstrom durch den Ringraum zwischen Werkzeug und Rohrwand. Diese Voraussetzung können üblicherweise nur Tieflochbohrmaschinen bieten. Einer der wichtigen Bestandteile dieser Maschinenkategorie ist der BOZA (Bohröl-Zufuhr Apparat) zur Einführung des Kühlschmierstoffes in den Ringraum. Diese Einrichtung ist nicht zu verwechseln mit einer inneren Kühlmittelzuführung, wie sie alle modernen Fertigungszentren aufweisen. Da der BOZA auf Fertigungszentren fehlt, wird vom Einsatz der kombinierten Werkzeuge auf Fertigungszentren abgeraten, zumal diese mit automatischen Werkzeugwechsel ausgestattet sind und der getrennte Einsatz von Schälköpfen und Glattwalzwerkzeugen kaum Zeitverlust bedeutet.
Glattwalzwerkzeuge
Glattwalzwerkzeuge werden für die Bearbeitung zur Erzielung des Fertigmaßes und der erforderlichen Oberflächenqualität eingesetzt. Rt 2 µm bis zu minimal 0,5 µm werden erreicht. Für die Bearbeitungen von Sackbohrungen sowie von Zylindern mit Querbohrungen werden Werkzeuge in Sonderausführung verwendet. Einsatzrichtwerte: v = 125-200 mm/min und s = 1,0-3,5 mm/U bei einem Durchmesserbereich von 30 bis 400 mm für St 60. Kleinere Innen-Glattwalzwerkzeuge beginnen bei Durchgangsbohrungen mit 4 mm und bei Sacklochbohrungen bei 6 mm (Bild 2). Die Werkzeugaufnahmen sind normalerweise zylindrische Spannschäfte oder Morsekegel, können aber ohne weiteres mittels Adapter für die DIN-genormten Steilkegel der Fertigungszentren passend gemacht werden. Die nachfolgenden Beispiele zeigen praxisbezogene Anwendungen, speziell für das Glattwalzen und Festwalzen.
Da die Maßänderung durch Glattwalzen sehr gering ist (im Durchschnitt in der Größenordnung Rt 1), sind entsprechende Aufmaße zu berücksichtigen. (Anhebung des Toleranzfeldes um den Betrag der Vorarbeitungsrauhtiefe.) Bei der Ermittlung der Rauhtiefe ist das Verhältnis von Schneidplattenradius (R) zum Vorschub (s) nach der Formel R = 2 x s zu beachten. Toleranzen größer als 0,05 mm sind bei der Vorbearbeitung zu vermeiden.
Beispiel: Glattwalzen von Außenkegeln
Werkstücke mit Außenkegel gemäß Bild 3 können ohne weiteres mit Kegelglattwerkzeugen bearbeitet werden. Hierfür bieten die Hersteller von Glattwalzwerkzeugen eine breitgefächerte Auswahl von Werkzeugen an, die auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt werden. Die zwischen dem Einspannschaft und dem Werkzeugkopf befindliche Schaltung kompensiert Werkstücktoleranzen und Toleranzen in der Positioniergenauigkeit der Maschine und stellt somit ein gleichbleibendes gutes Arbeitsergebnis sicher.
Beispiel: Glattwalzen von Innenkegeln
Die Werkzeuge (Bild 4) finden weitverbreitete Anwendung zum Glattwalzen von kegeligen Dichtsitzen oder Kegelpaßsitzen, wie sie z.B. bei Lenkhebeln vorkommen.
Beispiel: Glattwalzen von Planflächen
Am Gehäuse (Bild 5) sind die zwei konzentrischen Planflächen A und B nacheinander zu bearbeiten. Die hierfür benutzten Werkzeuge sind in Bild 6 gezeigt. Der Durchmesser 190,6 wurde zuvor auf dem Fertigungszentrum mittels Zirkularfräsen hergestellt. Auch diese Glattwalzwerkzeuge sind mit einer Schaltung zum axialen Lageausgleich zur Sicherstellung (Bild 6) eines gleichmäßig guten Arbeitsergebnisses ausgerüstet.
Beispiel: Glattwalzen von sphärisch konvexen Flächen
Konvexe Kugelflächen werden mit den beschriebenen Glattwalzwerkzeugen bearbeitet. Um auch hier einen Längenausgleich zu erreichen, sind zwischen Einspannschaft und dem Werkzeugkopf ein Paket Tellerfedern eingebaut.
Beispiel: Festwalzwerkzeuge
Beim Festwalzen wird durch die Einbringung von Druckeigenspannungen in die Werkstückoberfläche sowie durch gleichzeitige Glättung der Bearbeitungsriefen die Dauerfestigkeit an kritischen Punkten von hochbeanspruchten Teilen erhöht. Auf diese Weise lassen sich die Kerbwirkung und die dadurch hervorgerufenen Dauerbrüche stark reduzieren oder vermeiden. Die 4-mm-Hohlkehle der Achsschenkel nach Bild 8 werden mit Hilfe der in Bild 9 gezeigten Festwalzwerkzeuge festgewalzt.
Beispiel: Glattwalzen zylindrischer Außenflächen
Zylindrische Außenflächen rotationssymmetrischer Teile oder Werkstückpartien werden mit Außenglattwalzwerkzeugen glattgewalzt. Mit diesen Werkzeugen können auch zylindrische Außenflächen bei nicht symmetrischen Teilen glattgewalzt werden. Im Beispiel Hebel in Bild 10 sind die beiden Zapfen mit Durchmesser 15 f8 zu bearbeiten. Auch in diesem Fall steht das Werkstück still und das Glattwalzwerkzeug rotiert. Diese Arbeitsgänge sind ohne weiteres unter Zuhilfenahme eines NC-Schalttisches auf einem CNC-Fertigungszentrum möglich.
Beispiel: Kombinierte Werkzeuge
Für die gleichzeitige zeitsparende Bearbeitung mehrerer Flächen lassen sich häufig kombinierte Werkzeuge einsetzen. So können z.B. zwei fluchtende Lagersitze mit verschiedenen Durchmessern in einem Arbeitsgang gleichzeitig glattgewalzt werden. In gleicher Weise können auch Werkzeuge für das Glattwalzen zweier konzentrischer Außendurchmeser kombiniert werden. Sehr vorteilhaft ist ferner das Kombinierte Glattwalzen von Durchmessern und Planflächen, wie es in Bild 11 gezeigt wird.
Beispiel: Einwalzen von Ventilsitzringen
Eine echte Kaltumformung findet beim Einwalzen von Ventilsitzringen statt. In der gleichen Aufspannung kann der Sitz des Ventilkegels paßgenau glattgewalzt werden.
Weitere Beispiele der Kaltumformung auf CNC-Fertigungszentren:
Beispiel: Rollen von Außengewinden und Furchen von Innengewinden
Die Rollwerkzeuge arbeiten mit Vorschub in Achsrichtung. Das Gewinde wird dabei anfangs durch Andrücken über den Steigungsvorschub erzeugt, bis die Rollen mit zwei bis drei Gewindegängen das Werkstück erfaßt haben. Dann schraubt sich der Rollkopf selbsttätig weiter, vorzugsweise mit eingebautem Längenausgleich. Auch konische Gewinde lassen sich rollen, sobald ihre Länge unter der Rollenbreite liegt.
Beispiel: Gewindeherstel- lung mittels Gewindeformer
Ein bekanntes Umformverfahren ist das Gewindefurchen für Innengewinde, das aber bisher auf CNC-Fertigungszentren relativ wenig eingesetzt wurde. Das Gewinde wird dabei mit Gewindefurchern statt mit -bohrern hergestellt. Da beim Gewindefurchen keine Späne anfallen, kann diese Bearbeitungsart besonders bei CNC-Fertigungszentren, also beim automatischen Arbeiten störungsfreier durchgeführt werden als das Gewindebohren.
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