Prozessintegration Hartdrehen und Honen mit einer Maschine führt zu Rauheitsverbesserungen

Projektergebnisse zeigen, dass durch die Prozesskombination Hartdrehen/Honen grundsätzlich eine annähernde Halbierung der mit Hartdrehen erzeugten Rauheitswerte möglich ist. Werden beide Prozesse aufeinander abgestimmt, sind erhebliche Rauheitsverbesserungen im Zielbereich von 0,02 bis 0,04 µm Ra möglich. Die Substitution einer reinen hartdrehtechnischen Fertigung von Zylinderrollenlagern durch die neu entwickelte Prozesskombination senkt sowohl die Werkzeugkosten als auch die Fertigungszeit um annähernd 80%.

Anbieter zum Thema

ARKU Maschinenbau GmbH

Timesavers International B.V.

Technologie-Institut für Metall & Engineering GmbH

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Die Technik des Hartdrehens hat sich in den letzten Jahren in der Industrie zunehmend als leistungsfähige Alternative zu Schleifprozessen etabliert. Im Vergleich zum Schleifen liegen die Vorteile des Hartdrehens in einer höheren Zerspanleistung, in geringeren Beschaffungskosten für die Werkzeugmaschine und in der Flexibilität. So sind beispielsweise Kontur- und Mehrseitenbearbeitungen möglich.

Hartdrehen ist im Vergleich zum Schleifen wirtschaftlicher

Auch hinsichtlich der ökologischen Aspekte (Leistungsbedarf, Kühlschmierstoffverbrauch und Spänerecycling) können Vorzüge des Hartdrehens gegenüber dem Schleifen bei vergleichbarer Bauteilqualität identifiziert werden. Als Nachteile sind höhere Werkzeugkosten und Unsicherheiten bezüglich der Eignung zur Herstellung von wälzbelasteten Funktionsoberflächen zu nennen [1]. Diese Unsicherheiten werden jedoch durch einige Argumente [2 und 3] entkräftet. Weiterhin haben einige Hersteller von Wälzlagern ihre Produktion für die Fertigung von kleinen bis mittleren Serien ausschließlich auf Hartdrehen umgestellt.

Zum Erreichen der im Lagerbereich geforderten hohen an Form- und Maßgenauigkeit werden meist speziell für das Hochpräzisionshartdrehen entwickelte Maschinen eingesetzt. Sowohl die Werkstückspindel als auch die Linearachsen sind bei solchen Maschinen hydrostatisch gelagert und haben dadurch eine hohe geometrische und kinematische Genauigkeit bei gleichzeitig guter Steifigkeit. Die weitgehende Verschleißfreiheit der hydrostatischen Lagerung bewirkt eine gute Langzeitgenauigkeit. Eine Temperierung des Hydrauliköls ermöglicht eine hohe thermische Stabilität derartiger Maschinen.

Wiederholgenauigkeit der Linearachsen ist < 0,1 µm

Mit hochauflösenden Linearmaßstäben in Verbindung mit spielfrei vorgespannten Präzisions-Kugelrollspindeln werden Wiederholgenauigkeiten der Linearachsen < 0,1 µm erreicht, wobei aufgrund der hydrostatischen Lagerung keine Stick-Slip-Effekte auftreten. Der Rundlauffehler hochwertiger hydrostatischer Spindeln liegt im Bereich ≤ 0,1 µm und ist damit etwa eine Größenordnung kleiner als der mit wälzgelagerten Spindeln erreichbare Rundlauffehler. Als Maschinenbett kommt teilweise Naturgranit zur Anwendung, der im Vergleich zu dem für konventionelle Maschinen verwendeten Grauguss oder Reaktionsharzbeton Vorteile hinsichtlich geringer thermischer Dehnung, Eigenspannungsfreiheit und guter Dämpfung aufweist [1].

Teilweise werden bei den produzierenden Unternehmen die Laufbahnen der Lagerkomponenten nach dem Hartdrehen zusätzlich mit Honen gefinisht, um bessere Oberflächenqualitäten zu erreichen. Dies wird derzeit auf zwei Maschinen durchgeführt, was, bedingt durch den notwendigen Maschinenwechsel, hohe unproduktive Zeiten zur Folge hat.

In dem von der EU geförderten Projekt Carbi Turn mit einer Laufzeit von zwei Jahren konnten mit Hochpräzisions-Hartdrehen die Fertigungszeiten für hochgenaue Umformwerkzeuge aus Hartmetall im Vergleich zu dem herkömmlichen Prozess Schleifen reduziert werden. Für die meisten Hartmetallkomponenten wird eine Oberflächengüte gefordert, die nur durch einen nachfolgenden Polierprozess erreichbar ist.

Werden die Zeiten für den Polieraufwand einer geschliffenen und einer hartgedrehten Oberfläche verglichen, ergibt sich zusätzlich zur Fertigungszeitreduktion ein weiterer Vorteil des Hartdrehens: Aufgrund der gleichmäßigeren Topografie einer hartgedrehten Oberfläche (Bild 1) ist ein erheblich geringerer Zeitaufwand für die nachfolgende Polieroperation notwendig.

Hartgedrehte Oberfläche reduziert Polierzeit

In Bild 1a sind die stochastisch verteilten tiefen Riefen in einer geschliffenen Oberfläche zu erkennen. Um diese Riefen zu entfernen, muss sehr viel Material durch den Polierprozess zerspant werden, was mit einem großen Zeitaufwand verbunden ist. Im Gegensatz dazu weist eine hartgedrehte Oberfläche eine gleichmäßigere Topografie auf, in der solche tiefen Riefen nicht existieren. Dadurch wird eine sehr viel kürzere Polierzeit realisiert, weil weniger Material zerspant werden muss. Hinsichtlich des Polieraufwands von Hartmetallstempeln konnten die Bearbeitungszeiten zum Erlangen der geforderten Oberflächenrauheiten von < 0,03 µm Ra in einigen Fällen um bis zu 90% reduziert werden.

Die nach dem Hartdrehen durchgeführte Honoperation der Lagerlaufflächen hat, wie das Polieren der Hartmetallstempel, ebenfalls eine Verbesserung der Oberflächenrauheit zum Ziel. Aufgrund der im Projekt Carbi Turn ermittelten Prozesszeitersparnis für die Polieroperation wurde deshalb in einem weiteren EU-Projekt (TAF – Turn and Finish) die Idee verfolgt, ein Bearbeitungszentrum auf Basis einer Hochpräzisions-Hartdrehmaschine aufzubauen, das die Prozesskombination Hartdrehen und Kurzhubhonen auf einer Maschine realisieren kann.

Als übergeordnetes Ziel in dem zweijährigen Projekt (Laufzeit von Februar 2005 bis Januar 2007) wurde dabei, durch die Möglichkeit der Bearbeitung der Bauteile in einer Aufspannung, vornehmlich die Eliminierung der unproduktiven Zeiten bei einem Maschinenwechsel definiert. Weiterhin wurde eine im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung reproduzierbare Verbesserung der hartgedrehten Oberflächenrauheiten sowie eine Produktion von Bauteilen mit höherer Qualität in kürzerer Zeit anvisiert. Die am Anfang des Projekts durch die Projektpartner definierte Zielvorgabe war ein Rauheitswert von Ra = 0,02 µm.

Für die Entwicklung der in eine Hartdrehmaschine integrierbaren Honeinheit zeichnete die ungarische Technische Universität Miskolc verantwortlich. Die technische Umsetzung, Untersuchungen sowie die Optimierung des kombinierten Prozesses Hartdrehen und Kurzhubhonen wurden vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen durchgeführt. Weitere Partner im Projekt waren die Firmen Hembrug (Hersteller von komplett hydrostatisch gelagerten Hochpräzisions-Hartdrehmaschinen, Niederlande), Diasfin (Hersteller von Schleif- und Honwerkzeugen, Rumänien) sowie die beiden deutschen Wälzlagerhersteller Cerobear und HWG Horst Weidner Wälzlager GmbH.

Rasches Auswechseln der Honsteinaufnahme

Die in diesem Projekt zu bearbeitenden Bauteile wurden an die Geometrie von Zylinderrollenlagern angelehnt. Es wurden sowohl Bauteile mit einem Außendurchmesser von etwa 35 mm und einer Breite von rund 5 mm (Innenring = Außenhonbearbeitung) als auch Bauteile mit einem Innendurchmesser von zirka 45 mm und einer Breite von etwa8 mm (Außenring = Innenhonbearbeitung) für die Tests verwendet.

Hinsichtlich der konstruktiven Ausführung der Honeinheit bedeutete dies die Forderung nach hoher Flexibilität gerade bezüglich des Wechsels von einer Innenhon- zu einer Außenhonbearbeitung, um den Wechsel der jeweiligen Honsteinaufnahme so schnell und einfach wie möglich bewerkstelligen zu können. Weiterhin wurden eine Amplitude von ungefähr 1 mm und eine hohe erreichbare Frequenzbreite von etwa 100 Hz gefordert.

Nach der Fertigstellung der Honeinheit wurde diese in eine Hochpräzisions-Hartdrehmaschine 50 CNC von Hembrug integriert und an die Steuerung angeschlossen. Bild 2 zeigt das TAF-System mit der in die Hartdrehmaschine integrierten Honeinheit.

Bei der Versuchsdurchführung wurden die Rauheit nach der Drehoperation sowie die Rauheitswerte des kombinierten Prozesses an den „Laufflächen“ gemessen, um eine Aussage über den Einfluss der Vorbearbeitungsqualität durch Hartdrehen auf den nachfolgenden Honprozess treffen zu können. Hinsichtlich der Drehoperation wurden für solche Fertigungsaufgaben übliche Schnittparameter verwendet. Die nachfolgenden Honschritte wurden in der Körnung der Honwerkzeuge, der Frequenz, der Amplitude und der Bearbeitungszeit nach einem Versuchsplan variiert.

Bild 3 zeigt die erzielten Rauheitswerte einer Serie von acht Flächen. Die Flächen 1 und 5 wurden in dieser Serie ausschließlich gedreht, während die übrigen Flächen mit dem kombinierten Prozess bearbeitet wurden.

Das für diese Versuche verwendete verschlissene Drehwerkzeug wies eine Verschleißmarkenbreite VB = 180 µm auf (VBmax = 210 µm, abgewickelte Drehlänge von etwa 4,5 km). Dadurch können die hohen Rauheitswerte der Flächen 1 und 5 erklärt werden. Durch den an die Hartdrehoperation anschließenden Honprozess mit einer Honzeit von rund 30 s konnte die erzielbare Rauheit zwar um etwa 75% verbessert werden, jedoch wurde der Zielwert von Ra = 0,02 µm nicht erreicht. Die Wiederholung des Versuchs mit neuer Schneide ergab die in Bild 4 dargestellten Rauheitsergebnisse. Dabei wurden die erste sowie jede weitere vierte Fläche ausschließlich hartgedreht und die übrigen Flächen hartgedreht und gehont.

Oberflächenrauheit von < 0,02 µm ist erreichbar

Die Ergebnisse in Bild 4 belegen das Erreichen der Rauheitszielvorgabe von Ra = 0,02 µm. Entscheidende Faktor dabei ist die nach dem Hartdrehen erzielte Oberflächenrauheit. Bild 5 zeigt den Rauheitsmessschrieb sowie die Weißlicht-Interferometeraufnahme einer mit dem kombinierten Prozess gefertigten Oberfläche (erzielte OberflächenrauheitRa = 0,0157 µm).

Weiterhin war im Projekt eine wirtschaftliche Evaluierung des entwickelten Prozesses durchzuführen. Ausgangspunkt bildete eine Berechnung der Fertigungszeit einer Losgröße von 50 Lagerringen. Eine Oberflächenrauheit von 0,05 µm ≤ Ra ≤ 0,07 µm kann mit Hartdrehen erreicht werden. Jedoch ist dafür außer einer entsprechenden Schnittstrategie, die eine Fertigungszeit von rund 5 min pro Lauffläche bedingt, ein Schneidenwechsel nach jeweils zehn Bauteilen erforderlich.

Dieser wiederum nimmt aufgrund der notwendigen extrem genauen Werkzeugeinrichtung zwischen 5 und10 min in Anspruch. Für diese Vorgaben wurden die Fertigungszeiten der herkömmlichen sowie der Fertigung mit dem TAF-Prozess berechnet. Beim kombinierten Prozess ist ein Wechsel der erforderlichen Drehwerkzeuge nicht notwendig, die Dauer der Drehbearbeitung und der nachgeschaltete Honprozess werden pro Lauffläche mit 30 s einbezogen. Bei einem Vergleich ergeben sich somit Fertigungszeiten von 290 min im Vergleich zu 50 min, was einer Reduktion der Fertigungszeit von zirka 83% entspricht.

Reduzierung der Werkzeugkosten um 80%

Zusätzlich ist eine Reduzierung der Werkzeugkosten um rund 80% möglich, weil nur ein Werkzeug für die Drehbearbeitung (im Vergleich zu fünf im herkömmlichen Prozess) eingesetzt werden muss. Die Kosten für die Honwerkzeuge sind, verglichen mit denen der PCBN-Schneiden, verschwindend gering: Ein Satz kostet etwa 40 Euro und kann für die Bearbeitung von ungefähr 2000 Laufflächen verwendet werden. Aufgrund dieser positiven Ergebnisse haben sich Hembrug, die TU Miskolc und Diasfin dazu entschlossen, die Honeinheit zusammen weiterzuentwickeln und das TAF-System als marktfähiges Produkt anzubieten.

Literatur

[1] Jochmann, S.: Untersuchungen zur Prozess- und Werkzeugauslegung beim Hochpräzisionshartdrehen. Dissertation RWTH Aachen 2001.

[2] Liermann, J.: Hartdrehen wälzbelasteter Bauteile. Dissertation RWTH Aachen 1997.

[3] Borbe, C.: Bauteilverhalten hartgedrehter Funktionsflächen. Dissertation Universität Hannover 2001.

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Fritz Klocke ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen; Dipl.-Ing. Jens Helbig ist wissenschaftlicher Mitarbeiter der Abteilung Prozesstechnologie am selben Institut. Weitere Informationen: Jens Helbig, 52074 Aachen, Tel. (02 41) 89 04-1 36, jens.helbig@ipt.fraunhofer.de

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