Bisher stellte vor allem die Lötverbindung bei Hydrodehnspannfuttern einen limitierenden Faktor beispielsweise für Temperaturbeständigkeit und Drehmomentübertragung dar. Mapal ist es nun gelungen, Spannfutter „aus einem Guss“ zu fertigen. Und so dank der additiven Fertigung die Technologie für ein deutlich breiteres Anwendungsspektrum nutzbar zu machen.
Die beiden Hauptkomponenten eines Hydrodehnspannfutters, Grundkörper und Dehnbuchse, werden durch Löten miteinander verbunden. Die Festigkeit der Lötstelle ist deutlich niedriger als die des Grundkörpers und der Dehnbuchse und bildet damit eine mögliche Schwachstelle. Die Lötverbindung ist dafür verantwortlich, dass Hydrodehnspannfutter überwiegend nur bis zu einer Betriebstemperatur von 50 °C empfohlen werden. Und das in Zeiten, wo in vielen metallverarbeitenden Betrieben daran gearbeitet wird, durch einen effizienteren Einsatz von Energie und Material vorhandene Einsparpotenziale zu erschließen.
So liegen beispielsweise Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, Volumenzerspanung und Minimalmengenschmierung bis hin zur Trockenbearbeitung im Trend. All diese Technologien können zu Betriebstemperaturen führen, die deutlich über dem Grenzwert von Hydrodehnspannfuttern liegen.
Lötverbindung als limitierender Faktor
Bei höheren Temperaturen steigt der Druck im Futter, da das Öl im Inneren des Hydrodehnspannfutters den über 50-fachen Ausdehnungskoeffizient im Vergleich zum Stahl des Grundkörpers hat. Dies hat zwar höhere Haltekräfte zur Folge, die zunehmende Temperatur kann aber auch zum Versagen des Futters führen. Denn durch den hohen Druck kann die Lötverbindung zerstört werden. Umgangssprachlich wird dann von einem „Platzen“ des Futters gesprochen. Jegliche Haltekraft geht dabei verloren.
Das Problem der Lötverbindung und die damit verbundenen Limitierungen waren für Mapal der Ausgangspunkt, um an Verbesserungen zu arbeiten. Mit der Entwicklung des High Torque Chucks im Jahr 2009 konnten die Werte der limitierenden Faktoren wie der Temperatur bereits deutlich ins Positive verschoben werden. Einen weiteren Fortschritt brachte die additive Fertigung, an der seit 2013 gearbeitet wurde.
Bei dem Werkzeughersteller kommt der 3D-Druck in Form des SLM (Selective Laser Melting) zum Einsatz. SLM ist ein pulverbett-basierter Prozess. Loses Metallpulver wird mittels eines Laserstrahls Schicht für Schicht an den Stellen aufgeschmolzen, an denen Material sein soll. Das Bauteil entsteht von unten nach oben. Die Flächen, die geschmolzen werden, sind in Quadrate (Schachbrettmuster) unterteilt. Diese werden nicht aufeinanderfolgend, sondern statistisch verteilt aufgeschmolzen. Dadurch wird eine Verteilung des Wärmeeintrags erreicht.
Bei Mapal kommt hauptsächlich ein spezieller Warmarbeitsstahl in Pulverform mit einer Korngröße von 10 bis 45 Mikrometern für die additive Fertigung zum Einsatz. Dieser Werkstoff bietet zahlreiche Vorteile: er ist schweiß- und lötbar, relativ verzugsarm und sehr gut geeignet zum hybriden Bauen. Letzteres machen sich der Werkzeughersteller für das erste additiv gefertigte Spannfutter, die HTC-Technologie mit schlanker Kontur und einer Verjüngung von 3°, zunutze.
Funktionsbereich wird aufgeschmolzen
Auf den konventionell gefertigten Grundkörper wird bei der Herstellung des neuen Spannfutters per SLM der Funktionsbereich aufgebracht. Das Spannfutter wird bereits in Serie gefertigt, und ist bei Kundenprojekten erfolgreich im Einsatz. Sein Alleinstellungsmerkmal ist, dass die Vorteile der Hydrodehntechnologie, wie einfaches Handling mit allen Vorteilen der Weiterentwicklungen des HTCs, wie Temperaturbeständigkeit und hohe Drehmomentübertragung, auch im störkonturkritischen Bereich eingesetzt werden können.
Das SLM machte es möglich, den Spannbereich sehr nah an der Futterspitze zu platzieren, was in der konventionellen Fertigung nicht möglich gewesen wäre. Zudem wird beim neu gefertigten Futter dank der additiven Fertigung gänzlich auf die Lötverbindung verzichtet.
Konstruktive Einschränkungen sind passé
Die additive Fertigung kommt bei den Werkzeugexperten gezielt da zum Einsatz, wo fertigungsbedingte Einschränkungen Innovationen bisher gehemmt haben. Die heute noch etwas höheren Kosten bei der additiven Fertigung im Vergleich zur konventionellen Fertigung werden sich in Zukunft relativieren. Schon heute überwiegen die Vorteile, die die additive Fertigung bietet, klar die Restriktionen. Vor allem die fertigungs- und konstruktionsbedingten Freiheiten, die Möglichkeit der hybriden Fertigung sowie das niedrige Gewicht der per SLM gefertigten Bauteile überzeugen.
Eine weitere Möglichkeit, die die additive Fertigung bietet, ist das „Eindrucken“ eines Hydrodehnspannbereichs direkt in Sonderkombinationswerkzeuge. So können unterschiedliche Standzeiten aufgrund unterschiedlicher Belastungen zukünftig durch einfache Wechsel der stärker beanspruchten Komponenten kostengünstig und mit verschwindend geringem Aufwand kompensiert werden. Auch an der Realisierung dieser Möglichkeit wird intensiv geforscht.
Mapal Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG www.mapal.com EMO Halle 10 Stand C08/D09
Erster Fräser mit HX-Wendeplatten aus PcBN
Die HX-Wendeplatten haben sich bei Reibbearbeitungen etabliert. Dank der hexagonalen Form haben sie sechs nutzbare Schneidkanten und sorgen so für eine sehr gute Wirtschaftlichkeit bei der Bearbeitung. Mapal ist es nun gelungen, die HX-Wendeplatten erstmals auch für die Fräsbearbeitung nutzbar zu machen. Wo bisher bei der Schlichtbearbeitung von Guss und gehärtetem Stahl meist nur gelötete PcBN-Wendeplatten mit einer Schneidkante zum Planfräsen eingesetzt waren, können nun die sechs Schneidkanten der HX-Wendeplatte genutzt werden.
Der neu gestaltete Fräser hat beispielsweise bei Durchmesser 63 mm fünf PcBN-Fräseinsätze. Durch den Einsatz bewährter Justier- und Spannsysteme ist der spielfreie Sitz der HX-Wendeplatten garantiert. Da jeweils sechs Schneidkanten genutzt werden können und sowohl das Einstellen als auch das Wechseln einfach realisiert werden kann, ist der Fräser besonders wirtschaftlich.
Vor allem im Automotive-Bereich und im Formenbau spielt der neue Fräser mit PcBN-Wendeplatten seine Stärken aus. Denn dort sind sehr gute Oberflächen gefragt, wie sie der neue Fräser erzeugt. Zudem ist die zentrale Kühlmittelführung direkt auf die Schneiden gerichtet, um einen optimalen Spänefluss sicherzustellen.
Unsere Webinar-Empfehlung
Einen Vorgeschmack auf die EMO liefert der Webcast "Innovative Zerspanungslösungen". Ausgewählte Branchenspezialisten wie Schwäbische Werkzeugmaschinen (SW) und DVS Technology Group zeigen, welche Innovationen entlang der Prozesskette spanender Fertigung sie auf der EMO präsentieren…
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