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Präzisionswerkzeuge

Der Trend geht zum Systemwerkzeug

| Autor/ Redakteur: Walter Frick / Rüdiger Kroh

Die Anforderungen an heutige Präzisionswerkzeuge sind immens: Sie sollen sowohl universell verwendbar als auch anwendungsoptimiert sein. Zu beobachten ist ein Trend zum Systemwerkzeug – abgestimmte Werkzeugsysteme aus einer Hand.

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HSC-Kopierfräser mit optimaler Spanabfuhr. Ein neuartiges Schleifverfahren erzeugt wesentlich glattere Schneidkanten und Spannuten, reduzierte Kantenausbrüche führen zu einer Verlängerung der Standwege.
HSC-Kopierfräser mit optimaler Spanabfuhr. Ein neuartiges Schleifverfahren erzeugt wesentlich glattere Schneidkanten und Spannuten, reduzierte Kantenausbrüche führen zu einer Verlängerung der Standwege.
( Archiv: Vogel Business Media )

Präzisionswerkzeuge müssen zum einen immer genauer, zum anderen aber auch immer universeller werden – mit ihnen steht und fällt jede Prozesskette. Gestiegen sind nicht nur die Anforderungen an das Werkzeug, auch die Lieferanten müssen sich zunehmend steigenden Herausforderungen stellen. Statt verschiedenster Individualwerkzeuge sind heute abgestimmte Werkzeugsysteme aus einer Hand gefragt. Dabei geht es in erster Linie um das optimale Zusammenspiel von Werkzeug, Spannzeug und Maschine.

Systemwerkzeuge integrieren mehrere Funktionen

Der Vorteil eines Systemwerkzeugs – in Analogie zum Trend in der Maschinenentwicklung – ist die Integration mehrerer Funktionen in einem Werkzeug, beispielsweise Bohren und Reiben, Drehen und Fräsen. Kennzeichnend für viele Neuentwicklungen ist der modulare Aufbau von Multifunktionswerkzeugen. Mit geeigneten Software-Systemen lässt sich so die CAD-gestützte Entwicklung komplexer Werkzeuge stark vereinfachen.

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Entscheidend für die Optimierung des Gesamtprozesses ist nämlich nicht zuletzt die Beherrschung möglicher Einflussfaktoren durch geeignete Simulationstechniken auch in der Werkzeugentwicklung. Die Herausforderung besteht darin, intelligente, also komplexe, mit Sensorik und Aktorik ausgestattete Werkzeuge, prozesssicher auszulegen und damit die Prozessketten weiter zu verkürzen.

Bearbeitungsfolgen sind aufeinander abgestimmt

Den Trend zum Systemwerkzeug kann Dr. Immo Garrn, Leiter Forschung und Entwicklung der Gühring oHG in Albstadt, nur bestätigen: „Solche Systeme werden nachgefragt. Der Anwender verspricht sich davon einen verringerten Einstellaufwand beim Werkzeugwechsel.“ Mittlerweile seien die Wechselgenauigkeiten so weit gestiegen, dass sehr ansprechende Bearbeitungsqualitäten auch in der Feinbearbeitung zu erwarten sind. „Inwieweit sinkende Materialkosten für die Schneidköpfe durch erhöhten Aufwand bei der Fertigung der Schnittstellen aufgehoben werden oder nicht, ist im Einzelfall zu prüfen“, so der Gühring-Forschungsleiter. Der Trend zum Systemwerkzeug lasse zwar zunächst erwarten, dass sich viele verschiedene Schnittstellen entwickeln, deren jeweilige Stärken sich erst im Einsatz zeigen werden. Mit zunehmender Verbreitung werde der Markt dann die Anzahl der Systeme wieder einschränken.

Abgestimmte Werkzeugsysteme sind durchaus ein geeignetes Mittel, um den Gesamtprozess zu optimieren: „Denn durch optimal aufeinander abgestimmte Bearbeitungsfolgen lassen sich Nebenzeiten einsparen und Bearbeitungsqualitäten steuern“, erklärt Garrn. Wichtig sei, dass dem nachfolgenden Werkzeug optimale Anschnittbedingungen hinterlassen werden. Das Ausreizen der in einer Aufspannung möglichen Bearbeitungsschritte mit möglichst wenigen Werkzeugwechseln ohne wesentliche Steigerung der Hauptzeiten, bleibe die größte Herausforderung in der Gestaltung von Werkzeugsystemen.

Zu erwarten sei auf jeden Fall, dass sich der Spanfluss durch Methoden der Spanformsimulation weiter perfektionieren lasse. „Wichtig ist jedoch, dass Verfahren gefunden werden, die in handhabbaren Rechenzeiten zu verlässlichen Ergebnissen führen. Dazu werden viele Untersuchungen durchgeführt, so dass in naher Zukunft Lösungen zu erwarten sind.“ Neben der Optimierung des Spanflusses, der die Phasen Spanbildung, Spanformung und Spantransport umfasst, sei dann wiederum die Betrachtung des Gesamtsystems Spanfluss, Schmierung, Kühlung, Schnittstrategie notwendig, um weitere Verbesserungen und Leistungssteigerungen zu erhalten. Dr. Immo Garrn: „Insbesondere der Aspekt Spanformung verdient umfassende Betrachtung.“

Kernpunkte des Gühring-Auftritts auf der EMO in Hannover werden unter anderem eine neue Generation von Vollhartmetall-Hochleistungsreibahlen sein, eine Abrundung des Programms an spiralisierten HartmetallTieflochbohrern sowie eine Erweiterung des Fräserprogramms im Bereich der HPC-Schaftfräser.

Maßgeschneiderte Lösungen für maximale Effizienz

Unter dem Gesichtspunkt der High-Performance-Zerspanung sieht auch Dr.-Ing. Dirk Kammermeier, Direktor globale Produktentwicklung bei Kennametal, Fürth, einen klaren Trend zum Systemwerkzeug: „Wir entwickeln Werkzeuglösungen, die auf den Anwendungsbereich maßgeschneidert werden und somit für den Kunden eine maximale Wirtschaftlichkeit bieten. Dabei stehen Kunden, die sich in den Marktsegmenten Automobil oder Luft- und Raumfahrt bewegen und stringent prozesszeitorientiert sind, im Vordergrund.“

Für die große Anzahl an Kunden im allgemeinen Maschinenbau habe Kennametal ein umfassendes Universalprogramm entwickelt, das unter anderem auf ISO-Schneidkörper zurückgreift und einen breiten Anwendungsbereich abdeckt. „Damit kann der Kunde, der aufgrund seiner zahlreichen Anwendungen sein Werkzeugbudget eng kontrollieren muss, mit wenigen Werkzeugträgern ein großes Werkstoffspektrum abdecken.“ Darüber hinaus gebe es aber auch Hybridmodelle, die sowohl in der Großindustrie wie auch im allgemeinen Maschinenbau gerne eingesetzt würden.

Bohrwerkzeug KSEM mit verschiedenen Bohrerspitzen ausrüstbar

Ein gutes Beispiel dafür sei das modulare Bohrwerkzeug KSEM, das je nach Anwendungsfall – ob Guss, Stahl oder rostfreier Stahl – mit der entsprechenden Bohrerspitze ausgerüstet werden kann. Zu einer Erhöhung der Schnittstellenvielfalt führen Systemwerkzeuge nach Kammermeiers Einschätzung nicht zwingend, was an dem Bohrwerkzeug KSEM gut erklärt werden könne. Dabei handele es sich um ein Systemwerkzeug, das einen breiten Anwendungsbereich abdecken könne. Es werden Schneidkörper für die Guss- und Stahlbearbeitung bis hin zur Bearbeitung von rost- und säurebeständigen Stählen angeboten.

„Allerdings“, so der Produktentwickler, „muss auch klar gesagt werden, dass Werkzeughersteller proprietäre Werkzeugsysteme bevorzugt anbieten, weil einerseits genauer auf Kundenwünsche eingegangen werden kann, was einen Mehrwert für den Kunden darstellt, und andererseits die Austauschbarkeit durch einen Wettbewerber vermindert wird.“ Auch ein Blick auf die Werkzeugaufnahmen zeige, dass die Anzahl der Schnittstellen zwar nicht schnell, aber stetig zunehme: „Neben dem HSK drängen jetzt auch Capto und KM nach DIN- und ISO-Standards, so dass der Kunde zukünftig aus mindestens drei Aufnahmestandards wählen kann.“

Weil Prozesszeit kostenintensiv ist, versuchen nach Kammermeiers Einschätzung die Werkzeughersteller, mehr und mehr Funktionen in ein Werkzeug zu integrieren, um möglichst wenige Werkzeugwechsel zu realisieren. Die Schneidkörperauslegung bei diesen Werkzeugen müsse spezifisch auf die Applikation wie auch auf die Werkzeuglebensdauer ausgelegt sein, so dass eine hohe Kosteneffizienz für den Kunden erreicht werde. Diese Lösungen rechnen sich primär bei gleichen Werkstückgeometrien in großen Stückzahlen.

Bei komplexen Werkstücken und kleinen Stückzahlen, wie sie beispielsweise beim Formen- und Gesenkbau anzutreffen sind, werden Standardwerkzeuge eingesetzt, die mit Orbitalbewegungen die geforderten Geometrien erzeugen. Dabei ist die Gesamtbearbeitungszeit länger, aber die Werkzeugkosten im Vergleich zum hoch komplexen Sonderwerkzeug sind niedriger. Dirk Kammermeier: „Durch die immer schneller werdenden Steuerungen und Werkzeugmaschinen gewinnen diese Prozesse zunehmend an Bedeutung.“

Spanflussorientierte Werkzeuggeometrie

Eine innovative Möglichkeit, die Leistungsfähigkeit von Werkzeugen zu steigern, ist die spanflussorientierte Auslegung. Durch die Spanformsimulation können einzelne geometrische Elemente unter dem Aspekt der Spanformung wie auch in Bezug auf die resultierenden Kräfte und Temperaturen analysiert werden. „Somit können“, erläutert der Kennametal-Experte, „relative Optima für die Schneidengeometrie gefunden werden, aber auch das Substrat und die Beschichtung können an die Temperaturen angepasst werden, die in den Simulationen ermittelt wurden“.

Diese sequentielle Optimierung eröffne ganz neue Horizonte, um zukünftig erheblich optimierte Werkzeuglösungen anbieten zu können. Produktentwickler Kammermeier kann dazu mit einem aktuellen Beispiel aufwarten: „Erst kürzlich wurden, basierend auf einer Spanformsimulation, die Winkel an einem Fräswerkzeug geändert. Dadurch konnten wir verhindern, dass der Span wieder auf die Oberfläche des Aluminiumwerkstücks geleitet wird, mit dem Ergebnis, dass die Rauheitswerte bei der Bearbeitung halbiert werden konnten.“

Weiterentwickelte Planfräser steigern Produktivität

Ein Beispiel für gesteigerte Leistungsfähigkeit von Werkzeugen ist das Planfräserprogramm Dodeka, das auf der EMO Hannover vorgestellt wird. Es soll die Produktivität um 30% im Vergleich zu bisher am Markt verfügbaren Produkten steigern. Das Programm wurde mit dem Ziel entwickelt, höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten bei niedrigerer Schnittkraft zu erzielen. Damit sei es nun möglich, Produktivitätssteigerungen auch auf Werkzeugmaschinen mit geringerer Spindelleistung (etwa 5 bis 15 kW) zu erzielen. Der neue Planfräser ermöglicht aber auch hohe Vorschübe bis 0,6 mm/Zahn.

Beim Austausch der Wendeschneidplatten wird nur eine einzige Schraube benötigt. Die Wendeschneidplatten mit zwölf Schneidkanten sind in fünf Sorten und zwei Geometrien verfügbar. Die neue Wendeplattengeometrie mit hoch- positiven Schneiden gewährleistet einen weichen Schnitt und den Einsatz auf unterschiedlichsten Werkstoffen von Stahl und Gusseisen über rostfreie Werkstoffe bis hin zu hitzebeständigen Legierungen wie Titan und Inconel. Der Anwendungsbereich liegt vorrangig im allgemeinen Maschinenbau und Automobilbereich.

Spanform erlaubt Rückschluss auf Bearbeitungsqualität

Aus der Spanform kann der Fertigungsexperte in vielen Fällen Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität des Zerspanungsprozesses ziehen. Die Frage, ob sich mit den heutigen Möglichkeiten der Simulationstechniken die Spanform perfektionieren lässt, beantwortet Kennametal-Manager Kammermeier mit einem klaren Ja und verweist dazu auf die Produktvorstellung auf der EMO Hannover: „Wir werden dort das Konzept eines völlig neuen Aluminiumfräsers vorstellen, dessen Geometrie nur aufgrund von Spanformsimulationen entwickelt wurde.“

Kennametal ist der festen Überzeugung, dass die Spanformsimulation zukünftig einen wesentlichen Anteil daran haben wird, Werkzeuge deutlich schneller und kundenspezifischer entwickeln zu können. Die aktive Teilnahme des Unternehmens am BMBF-Verbundprojekt zur Simulation industrieller Bearbeitungsprozesse (Sindbap) unterstreicht das Interesse an dieser Technologie.

Walter Frick ist freier Journalist in 97984 Weikersheim.

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