Experten für Werkzeug- und Formenbau: Präzise Rundkomponenten durch Hartdrehen

Für viele Lohnfertiger in der Fertigung bezieht sich Werkzeug- und Formenbau meist auf die Herstellung asymmetrischer Teile. Blechkomponenten haben verschiedene Formen, und spritzgegossene Kunststoffteile reichen von Telefone bis Computerschränke.

Es gibt jedoch in der Welt des Werkzeug- und Formenbaus eine große Anzahl runder Teile. Kappen, Dichtungen, Dichtringe, um nur einige zu nennen, sind Teile, die Werkzeug- und Formkomponenten erfordern, die rund sind.

Viel wurde über die Bearbeitung von Formhohlräumen und Werkzeugsätzen für asymmetrische Teile geschrieben. In diesem Artikel liegt der Fokus auf Hartdrehen als angewendet auf die Herstellung von Werkzeug- und Formkomponenten, um die zahlreichen metallischen und kunststoffenen Teile zu produzieren, die rund sind.

Um mehr über diese Fertigungsnische zu erfahren, besuchten wir Reliance Tool and Manufacturing (Elgin, Illinois). Es ist ein 50 Jahre alter Lohnfertiger, der eine Spezialisierung im Hartdrehen entwickelt hat und es nutzt, um Formkomponenten und Werkzeugsätze herzustellen, die runde Produkte produzieren.

Wir sprachen mit Dale Schrieber, Werkleiter, um herauszufinden, wie Reliance vom Hartdrehen in seinen Produktionsprozessen profitiert hat.

Progressive und Komposite Werkzeuge

Werkzeugsätze umfassen eine Reihe von Komponenten. Dies sind oft Einzelteile, die an der Ober- und Unterseite der Werkzeugplatten montiert sind. Dieses Design erlaubt Anpassungen an den einzelnen Komponenten des Werkzeugsatzes statt an der gesamten Einheit.

Bei einem Folgeverbundwerkzeug werden Blechbänder zwischen den oberen und unteren Hälften des Werkzeugsatzes zugeführt. Jedes Mal, wenn die Presse schließt, wird ein vollständiges Teil am Ende der Presse ausgeworfen.

Ein Folgeverbundwerkzeug kann zwei, vier oder sogar 16 verschiedene Stationen haben, um einen vollständigen Stempelvorgang zu erzeugen. Nachdem die Presse einen Hub abgeschlossen hat, fördert das Band von einer Werkzeugstation zur nächsten. Einige Werkzeugsätze sind so konzipiert, dass sie progressiv eine flache Form stanzen und den Stempel dann in ein 3D-Teil falten. All das wird in einer Presse an einem Folgeverbundwerkzeug erledigt.

Komposite Werkzeuge unterscheiden sich von Progressiven darin, dass sie einen vollständigen Stempel mit einem einzigen Presshub erzeugen. Komposite Werkzeuge formen, stanzen Löcher und formen das Werkstück alles in einem einzigen Schlag der Presse.

Wie progressive Werkzeuge bestehen auch komposite Werkzeuge aus Komponenten, die auf den oberen und unteren Platten montiert sind. Es sind diese Komponenten, die Reliance fertigt und zu vollständigen Sätzen montiert. Für die meisten ihrer Kunden sind diese Komponenten rund.

Warum Hartdrehen?

Vor etwa sechs Jahren begann Reliance mit Experimenten zum Hartdrehen. Die Idee war, die traditionellen Schleifoperationen mit einem Prozess zu ergänzen, der flexibler war und mehr Teile durch den Betrieb bringen konnte.

Vor der Implementierung des Hartdrehens fertigte Reliance seine Werkzeugsätze und Formkomponenten auf traditionelle Weise. Sie würden das Teil vorkonturieren, Schleifzugabe lassen, dann härten und fertig schleifen.

Wie jeder Lohnfertiger treiben Druck, Teile immer schneller zu liefern, einen Großteil der Suche nach alternativer Technologie an. Die einzige Bedingung, die Reliance an die Betrachtung neuer Wege zur Herstellung von Werkzeugsätzen und Formkomponenten stellte, war, seinen Kunden Teile zu liefern, die so gut oder besser waren als jene, die geschliffen wurden.

"Zunächst war unser Ansatz zum Hartdrehen Trial and Error," sagt Jeff Staes, der den Hartdrehprozess bei Reliance entwickelte. "Die Vorteile gegenüber dem Schleifen waren für einige unserer Anwendungen sofort offensichtlich."

Der Großteil der für Hartdrehen vorgesehenen Arbeit hat Toleranzanforderungen von 0,0005 Zoll (0,0127 mm). Aber mit Radien so klein wie 0,005 Zoll (0,127 mm) und der Notwendigkeit, Kegel in Radien zu überblenden, hat das Einzelschneiden deutliche Vorteile gegenüber dem Schleifen. Kegel, sowohl ID als auch OD, die für Entformungsschrägen und Teilegeometrie notwendig sind, lassen sich auch leicht auf einem Drehzentrum erzeugen.

"Versuchen, einen winzigen Radius zu halten oder Kegel mit einer Schleifscheibe zu erzeugen, erfordert häufiges Abrichten, was den Produktionsprozess verlangsamt," sagt Mr. Schrieber. "Das Feinschleifen der letzten paar Tausendstel ist auch zeitaufwändig, weil das Rad häufiger abgerichtet werden muss. Die feinere Körnung des Finishrads lädt sich schneller auf als ein Schruppscheibe, was die Spanabtragsraten einschränkt."

Was sie gelernt haben

Der Schlüssel zum erfolgreichen Hartdrehen beginnt mit dem Weichdrehen. Konsistente Oberflächengüten und dimensionsale Genauigkeiten an gehärteten Werkstücken erfordern die richtige Menge an Restmaterial nach dem Vorkonturieren vor dem Härten des Rohlings.

Geometrische Merkmale wie dünne Wandabschnitte müssen oft mehr Material für das Hartdrehen lassen, wegen der Tendenz, sich beim Härten leicht zu verziehen. Die Idee ist, die dünnen Abschnitte aufzustocken, um genug Zugabe für dimensionsale Änderungen durch das Härten zu haben.

"Unser Härter macht einen guten Job, Verzug auf ein Minimum zu halten," sagt Mr. Schrieber. "Sie verwenden Keramikplatten für dünne Querschnitts-Werkstücke zusammen mit anderen Techniken zur Kontrolle dimensionsaler Änderungen. Wir rackern unsere Teile sogar, bevor wir sie zum Härten schicken, um Konsistenz zu kontrollieren."

Die Beibehaltung derselben Zugabe für das Hartdrehen ist wichtig wegen Werkzeugverschleiß. Generell ist der Hartdrehprozess zweistufig: ein oder mehrere Schruppgänge gefolgt von einem Schlichtgang. Das Entfernen der geringsten Materialmenge beim Schruppgang spart Produktionszeit, aber wichtiger, es schont das Schrupp-Hartdrehwerkzeug. "Schrupp-Hartdrehwerkzeugverschleiß wird Oberflächengüte und Maß auf dem endgültigen Gang beeinflussen," sagt Mr. Staes.

Das Werkzeug der Wahl für Reliance ist CBN (kubisches Bornitrid). Für sehr kurze Läufe oder unterbrochene Schnitte werden Keramiken verwendet, verschleißen aber nicht so gut wie CBN für größere Produktionsläufe.

"CBN hat große Vielseitigkeit," sagt Mr. Staes. Die Schneidplattenauswahl ist jedoch ein begrenzender Faktor. "Wir designen Schneidplatten und lassen sie speziell für uns von unseren Werkzeuglieferanten fertigen. Wir erzeugen andere Schneidplattengeometrien, indem wir existierende Platten in Formen umarbeiten, die wir brauchen," fährt Mr. Staes fort. "Es gibt noch nicht die Vielfalt an Schneidplattenformen und -geometrien für CBN, aber es wird besser."

Werkzeugstahl im Schnitt

Ein Großteil des von Reliance verwendeten Materials ist A-3 und D-2 Werkzeugstahl, gehärtet zwischen 48 und 64 HRC. CBN-Schneidplatten funktionieren gut bei diesen Hartdreh-Anwendungen.

Da CBN das zweithärteste Material nach Diamant ist, können aus CBN gefertigte Schneidplatten spröde sein. Einige Drehprozesse müssen von dem, was als konventionell gilt, modifiziert werden, um dieser Sprödigkeit Rechnung zu tragen.

Im Allgemeinen wird eine CBN-Schneidplatte durch Löten oder anderweitiges Verbinden einer vorgeformten CBN-Schneide mit einem Hartmetallträger hergestellt. Diese Verbindung neigt zum Schwachpunkt des Werkzeugs.

Werkzeug- und Formkomponenten benötigen hohe dimensionsale Genauigkeit und exzellente Oberflächengüte. Um diese Ziele mit Hartdrehen zu erreichen, hat Mr. Staes einige Richtlinien entwickelt.

"Die Schnittrichtung in eine Schulter an OD oder ID kann ein Faktor sein, wenn enge Toleranz auf Tiefe und Wandgüte gefordert ist," sagt er. "Statt von der ID oder OD in die Fläche einzuschneiden, ist es besser, die Wand zuerst plangeschliffen abzutragen, um überschüssiges Material zu entfernen. Lassen Sie zwischen 0,0005 und 0,0010 Zoll (0,0127 bis 0,0254 mm) Zugabe für einen Schlichtgang.

"Mit dem abgeschlossenen Schruppgang und dem größten Teil des Materials entfernt, kann der Schlichtgang dann in die Wand gemacht werden. Das Entfernen der verbleibenden 0,0010 Zoll oder weniger Metall setzt geringeren Werkzeugdruck auf die Schneidplatte, besonders wenn eine kleine Freischnittwinkel-Geometrie verwendet wird," sagt Mr. Staes.

Bei Bohroperationen ist die Mittenhöhe der Schneidplatte ein kritischer Faktor für das erfolgreiche Halten von Maß und Güte. Wenn sich der Bohrstab biegt, könnte er die Schneide unter die Mittellinie senken, was zu kürzerer Werkzeugstandzeit und schlechter Güte führt. Mr. Staes empfiehlt Vollhartmetall-Bohrstäbe für Hartdrehen. "Sie reduzieren das Biegeproblem und geben größere Tiefe-Kapazität," sagt er.

Temperatur- und Spanntechnik-Betrachtungen

Wenn ein Werkstück hartgedreht wird, hat sich sein Wert erheblich erhöht. Akkumulierte Kosten umfassen Material, Vorkonturierzeit und Härten. Dies ist definitiv keine Zeit, ein solches Teil auszuschrotten.

Wenn Mr. Staes diese Stücke dreht, behält er gerne die Werkzeuge im Auge, besonders bei CBN-Nutzung. Einige Anwendungen können trocken geschnitten werden, aber andere werden durch erhöhte Temperaturen vom Bearbeitungsprozess negativ beeinflusst. Um dies zu kontrollieren, während noch klare Sicht auf die Arbeitszone bleibt, nutzt Reliance Druckluft oder eine Kaltluftpistole, um die Teil-Temperatur zu halten.

Spanntechnik ist eine weitere Überlegung für die Herstellung runder Werkzeug- und Formkomponenten. Rundheit ist ein kritisches Maß für viele dieser Teile, die häufig sehr dünnwandig sind.

"Wir verwenden ein 6-Zoll-manuelles 3-Backenfutter, gehalten vom hydraulischen Futters, das auf dem Drehzentrum montiert ist," sagt Mr. Staes. "Die weichen Backen am manuellen Futters werden auf der Maschine innerhalb von 0,0005-Zoll-Konzentrizität (0,0127 mm) ausgebucht."

Prüftechniken

Ein Großteil der Werkzeug- und Formkomponentenarbeit, die Reliance macht, ist relativ einfach auf dimensionsale Genauigkeit und Oberflächengüte zu prüfen. Sie haben alle notwendigen Prüfgeräte, Dokumentationen und Rückverfolgbarkeitstechniken, um für ANSI/ASQC Q9001-1994 und ISO 9000 zu qualifizieren.

Aber einige der hergestellten Werkstücke sind nicht so einfach zu messen. Reliance hat eine interessante Technik entwickelt, um versteckte Merkmale in IDs und anderen schwer zugänglichen Stellen an einem Werkstück zu verifizieren.

"Für ID- und OD-Formen haben wir früher regelmäßig ein Stück halbiert, um die Merkmale zu prüfen," sagt Mr. Schrieber. "Jetzt verwenden wir Dentalmaterial [ein hochviskoses Vinylpolysiloxan], um einen Abdruck des Merkmals zu nehmen. Dieses Material wird dann auf einem Optischen Komparator geprüft. Es ist eine Technik, die gut für uns funktioniert und sehr präzise ist, wenn sie korrekt durchgeführt wird."

Lohnfertiger-Partnerschaften

Reliance hat einen beeindruckenden Ruf für die Fertigung runder Form- und Werkzeugkomponenten aufgebaut. "Viele unserer besten Kunden sind andere Werkzeugbetriebe, die unsere Expertise in der Produktion runder Teile brauchen," sagt Mr. Schrieber. "Besonders wenn eine Anwendung kommt, die schwer zu schleifen ist. Wir bekommen viel Geschäft für Hartdrehen."

Nennen Sie es Partnerschaft oder Spezialisierung, Betriebe, die sich einst als Wettbewerber betrachtet haben könnten, arbeiten zusammen, um gute Teile an Kunden zu liefern. Es ist ein Trend im Lohnfertigungsbetrieb, der die Realitäten der heutigen Fertigungsumgebung widerspiegelt.

Betriebe wie Reliance bieten spezialisierte Dienstleistungen an andere Lohnfertiger, die diese Spezialisierungen brauchen. Ebenso, wenn Reliance auf ein Prozessproblem stößt, das über seine Fähigkeiten hinausgeht, wird es Hilfe von anderen Betrieben einholen.

Die Standardisierung von Prozessdokumentation mittels ISO 9000-Techniken und anderen hilft Betrieben, miteinander Geschäfte zu machen. Es ist leicht ersichtlich, indem man Prozessdokumentation prüft, ob ein Betrieb das tun kann, was er sagt, er kann.

Ergebnisse

Reliance, wie fast jeder andere Lohnfertiger, steht unter extremem Druck von seinen Kunden, Lieferzeiten zu reduzieren. Dieser Druck wird durch verkürzte Produktlebenszyklen und kontinuierliche Verbesserungsprogramme innerhalb dieser Unternehmen erzeugt.

Zusätzlich zur Herstellung von Werkzeugsätzen und Formkomponenten für andere Unternehmen hat Reliance ein nettes internes Stanzgeschäft. Sie fertigen zahlreiche eigene Stanzteile.

"Hartdrehen hat uns geholfen, Lieferzeiten an unsere Kunden von durchschnittlich 16 bis 18 Wochen auf sechs zu reduzieren," sagt Mr. Schrieber. "Es hat uns auch Geschäft von anderen Werkzeug- und Formenbauern gebracht, die die Drehexpertise nicht haben, aber die Vorteile von Hartdrehen gegenüber Schleifen für einige Anwendungen sehen.

"Unsere eigene Stanzoperation ist effektiv zu einem Beta-Test-Standort für neue Prozesse und Techniken geworden. Wir probieren sie selbst aus, bevor wir sie bei einer Kundenanwendung versuchen," fügt Mr. Schrieber hinzu.

Für Reliance scheint Hartdrehen zu funktionieren. Umsätze sind um 44 Prozent gestiegen, die Kundenbasis expandiert, und Wachstum wird für die nächsten Jahre zwischen 15 und 20 Prozent projiziert.