Mit PKD zur ersten Million

von MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG, 20. November 2017
Teaserbild Mit PKD zur ersten Million
Mit PKD-Bohrern lassen sich Aluminiumlegierungen präzise und prozesssicher bearbeiten. Spiralisierte Bohrer stechen dabei ihre Pendants mit gerader Nut wegen der besseren Spanabfuhr klar aus.

Daher setzt Sapa, Spezialist für Aluminiumprofile, diese PKD-bestückten Bohrer von Mapal in der Weiterverarbeitung ein. Mit Erfolg: Trotz Minimalmengenschmierung verzeichnet das Unternehmen eine Standmenge von über einer Million Bohrungen pro Werkzeug.

Bearbeitung von Aluminiumknetlegierungen mit einem niedrigen Siliziumanteil eignen sich Vollhartmetallwerkzeuge nicht, weil das Material stark zum Verschmieren neigt“, sagt Thomas Kuner, der als Anwendungstechniker bei Mapal schon öfter dieses Problem bei Kunden angetroffen hat. „Bei Legierungen mit einem Siliziumanteil von unter sieben Prozent empfehlen wir deshalb aus Gründen der Prozesssicherheit generell den Einsatz von PKD-Bohrern.“

So sprach sich Thomas Kuner als zuständiger Kundenbetreuer auch gegenüber Walter Diplich für den Einsatz eines PKD-bestückten Werkzeugs aus. Diplich hatte sich in seiner Funktion als Leiter der Weiterverarbeitung am Produktionsstandort Offenburg der Sapa Gruppe mit einer entsprechenden Bearbeitungsaufgabe an Mapal gewandt.

Präzise Rasterlochung

Es ging dabei um Komponenten für einen standardisierten Baukasten für Robotergreifer, der von mehreren deutschen Automobilherstellern in größerem Umfang verwendet wird. Die Basis des Systems bilden oktogonale Träger aus stranggepressten Aluminiumprofilen mit Schlüsselweiten von 30, 40, 50 und 80mm. Die Profile sind auf allen Seiten und über die gesamte Länge mit einer eng tolerierten Rasterlochung versehen. Durch diese lassen sich die Träger mit Hilfe entsprechender Verbindungs- und Anbaukomponenten flexibel zu maßgeschneiderten Robotergreifern zum Handling von Automobilkomponenten verschrauben.

Die Realisierung der Rasterlochung ist dabei alles andere als einfach. Die verwendete Standardaluminiumknetlegierung für Profile weist nur einen Siliziumanteil von 0,5% auf. Daher neigt das Material zum Verschmieren und es bilden sich eine Aufbauschneide oder ein Grat. Zudem müssen die Bohrungen für die Lochung mit hoher Präzision und Effizienz eingebracht werden. Bei den von Sapa in Offenburg gefertigten über vier Meter langen Trägern mit den Schlüsselweiten 50 und 80mm sind auf einer Universal-Portalbearbeitungsmaschine mit feststehendem Maschinentisch immerhin 1.088 Bohrungen der Toleranzklasse 11 d9 im Abstand von 30mm mit geringer Abweichung (+/- 0,04mm) über die gesamte Länge auszuführen. Dabei beträgt die Profildicke 8mm. Die vielen Bohrungen führen zu einer gewissen Destabilisierung des Werkstücks. Bei nicht optimaler Spannung und zu schlechten Rundlaufeigenschaften der Werkzeug-Spannmittel-Maschinenspindel-Kombination besteht also die Gefahr, dass die vorgegebene Toleranz der Bohrungen nicht eingehalten werden kann. Erschwert wird die Bearbeitung zusätzlich durch den Verzicht auf konventionelle Kühlschmierstoffe, damit neigt das Material noch mehr zum Verschmieren. „Wir hatten uns schon im Vorfeld für die Minimalmengenschmierung entschieden, da wir diese bevorzugt in unserer Fertigung einsetzen“, erläutert Walter Diplich. „Ein Aspekt ist die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens. Der andere mindestens genauso gewichtige Grund ist, dass die Werkstücke quasi fettfrei sind. Die Reinigung vor einer eventuell erforderlichen Weiterbearbeitung kann entfallen.“

Mehrstufiger PKD-Bohrer für hohe Prozesssicherheit

Nachdem sich die Experten von Mapal mit der Aufgabenstellung und ihren Randbedingungen vertraut gemacht hatten, schlug Thomas Kuner Sapa einen zweischneidigen PKD-Vollbohrer mit Vorschneid-, Aufbohr- und Fasstufe vor. Dieses Werkzeug erlaubt eine Komplettbearbeitung der Bohrung in einem Schuss. Die Vorschneidstufe verhindert in Verbindung mit einer Aufbohrstufe sicher eine Gratbildung auf der Austrittsseite des Bohrers. Das Öl-Luft-Gemisch für die Minimalmengenschmierung wird über speziell angeordnete, interne Kühlkanäle direkt an die Schneiden geführt.

„Die Bohrungen waren auf Anhieb sehr gut“, blickt Walter Diplich zurück. „Es stellte sich aber heraus, dass die langen Späne, charakteristisch für weiche Aluminiumlegierungen, mit dem Bohrer teilweise mitliefen. Sie hinterließen auf der eloxierten Oberfläche der Profile einen sichtbaren, unerwünschten Ring, ähnlich dem, der nach dem Festziehen und Lösen einer Schraubverbindung zu sehen ist. Auch hierfür fand Mapal eine Lösung.

Standmenge: eine Million Bohrungen

Grundlage dafür ist ein Technologiesprung, der Mapal vor einigen Jahren bei der Bearbeitung des VHM- Werkzeuggrundkörpers gelungen ist. Seitdem können die PKD-Schneiden geometrisch perfekt in die Spirale des Grundkörpers eingebettet werden. Sapa wechselte daraufhin im Herbst 2014 vom PKD-Bohrer mit gerader Nut auf ein Pendant mit spiralisierter und polierter Nut. So wurde die Spanabfuhr verbessert und mitlaufende Späne verhindert. „Die optische Qualität der Profiloberfläche entspricht unseren Anforderungen. Und wir haben bisher eine Million Bohrungen mit nur einem Bohrer hergestellt. Damit können VHM-Bohrer nicht mal annähernd mithalten“, bestätigt Diplich.

Weiteres Optimierungspotenzial im Blick

Bisher wird der Bohrer direkt mit der maschinenseitigen Aufnahme an der Hauptspindel der Portalbearbeitungsmaschine mit einer Drehzahl von 10.000 min-1, einer Schnittgeschwindigkeit von 345m/min und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,01mm/s betrieben. Auch wenn der PKD-Bohrer damit noch lange nicht an seine Leistungsgrenzen stößt und auch die Bearbeitungsmaschine höhere Drehzahlen erlauben würde, geht Sapa jetzt einen noch direkteren Weg, um die Hauptzeit zu verkürzen. Zukünftig soll gleichzeitig mit mehreren Bohrern gearbeitet werden. Dafür wird diePortalbearbeitungsmaschine mit drei zusätzlichen Spindeln nachgerüstet. Es ist damit zu rechnen, dass dadurch zusätzliche Instabilitäten und Ungenauigkeiten in das System eingebracht werden. Deshalb haben die Verantwortlichen schon vorgesorgt und beimWerkzeug noch einmal nachgelegt.

Monilithisches Werkzeug für noch mehr Präzision

So wird von der Innen- auf die Außenkühlung umgestellt und das Werkzeug damit weiter stabilisiert. Darüber hinaus wird Mapal den Bohrer als monolithisches Werkzeug, also fertig geschrumpft, inklusive HSK-C50-Werkzeugaufnahme liefern. Das wirkt sich positiv auf die Rundlauf- und Stabilitätseigenschaften aus. Das 85mm lange Werkzeug wird dabei von Mapal eingeschrumpft und erst dann die Schneidengeometrie mittels Erodieren und Schleifen realisiert. So werden besonders engere Toleranzen eingehalten. Darüber hinaus wird der Bohrer mit einem Spanbrecher versehen, um die problematische Bildung langer Späne an der Fase von vorneherein zu unterbinden. „Ich gehe fest davon aus, dass wir auch nach der Nachrüstung mit drei Spindeln und der damit voraussichtlich verbundenen höheren Instabilität dank dieser Maßnahmen mindestens eine Standmenge von 500.000 Bohrungen erreichen werden“, blickt Walter Diplich optimistisch in die nahe Zukunft. Und wenn dann die PKD-Schneide ihr Standzeitende erreicht hat, bedeutet das nicht das Aus für das komplette Werkzeug. Bei der Werkzeugaufbereitung ersetzt Mapal alle PKD-Schneiden durch neue PKD-Segmente. Das aufbereitete PKD-Werkzeug entspricht geometrisch und qualitativ einem Neuwerkzeug. So kann die Lebensdauer des Werkzeugs mehrmals verlängert werden.

 

„Wir können mit dem PKD-Bohrer von Mapal die von uns geforderte hohe Präzision und Oberfl ächenqualität bei der Bearbeitung unserer Aluminiumprofi le garantieren. Dabei erreicht der Bohrer eine Standmenge von einer Million und lässt sich fast beliebig oft wiederaufbereiten“.

Walter Diplich, Sapa Aluminium Profile GmbH am Standort Offenburg

 

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