Langlebige Werkzeuge verkürzen die Zykluszeiten für anspruchsvolle Drehschälvorgänge

Weingärtner hat auf seiner Vario+ 700-Werkzeugmaschine einen Dreh-Schälkopf mit neun Schruppeinsätzen und einem Schlichteinsatz kombiniert, alle unter Verwendung der Hartmetallsorte KCU25B von Kennametal. Da Werkzeugausfälle oder starke Verkürzungen der Werkzeugstandzeit sowohl das Werkstück als auch den Kopf beschädigen können, musste die Bearbeitung in einer einzigen Aufspannung ohne Werkzeugwechsel durchgeführt werden. Alle Bilder mit freundlicher Genehmigung von Weingärtner.

Das Drehschälen von fast 60 Millimetern austenitischem Edelstahl 1.4435 von einem Teil mit einer Länge von 3.900 mm ist bereits eine anspruchsvolle Aufgabe. Dies ist ohne Werkzeugwechsel nahezu unmöglich. Doch mit dieser Aufgabe wandte sich kürzlich ein Kunde von Weingärtner, einem österreichischen Erstausrüster von Werkzeugmaschinen für komplexe, rotierende Bauteile, an das Unternehmen.

Weingärtner konnte sich zwar mit dem Kunden beraten und eine seiner Vario+ 700-Maschinen zur Bewältigung der Aufgabe anbieten, doch die meisten getesteten Werkzeuge konnten die Anforderungen an die Werkzeugstandzeit nicht erfüllen. Am Ende ging der OEM eine Partnerschaft mit dem Werkzeughersteller Kennametal ein, dessen Werkzeuge der Güteklasse KCU25B sich als langlebig genug erwiesen, um den gesamten Bearbeitungsprozess zu überstehen – und trieb den Prozess dann weiter voran.

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Die Turn-Peeling-Herausforderung

Daniel Weber, Prozessforscher in der Softwareentwicklungsabteilung von Weingärtner, sagt, das Unternehmen sei stolz auf Komplettlösungen mit Kundenberatung, einem Katalog modularer Maschinen, einem hauseigenen CAD/CAM-System (WeinCAD) für Spiralkomponenten, Service und mehr. Als der Kunde, der die Vario+ 700 mit Dreh-Schälkopf für die Produktion von 60 Exzenterschneckenpumpen gekauft hatte, Teile liefern musste, bevor er mit der Vorbereitung seiner Anlage für die neue Maschine fertig war, sprang Weingärtner ein, um die Teile zu produzieren und den Bearbeitungsprozess zu entwerfen.

Die spezialisierte CAD/CAM-Software WeinCAD von Weingärtner stellte eine Simulationsmethode für spiralförmige Komponenten wie die Pumpenrotoren bereit und half dem OEM, seine Prozesslösung zu testen, ohne den Drehschälkopf zu gefährden.

Die Teile würden ab Lager auf 160 mm Durchmesser und 3.900 mm Länge vorgedreht. Durch den Hauptdreh-Schälvorgang entsteht am Pumpenrotor eine exzentrische Kontur mit einem Enddurchmesser von 100,5 mm. Beim Drehschälen wird das Teil in einer versetzten Abfolge von mehreren Schruppeinsätzen und einem Schlichteinsatz bearbeitet, um kurze, leicht brechende Späne zu erzeugen, die das Werkzeug während der 150-minütigen Zykluszeit nicht beeinträchtigen. Die Herstellung der exzentrischen Form erforderte außerdem sowohl unterbrochene als auch kontinuierliche Schnitte sowie eine außermittige Position für den Wendeschälkopf, ein Umstand, der den Zugang zum Kopf erschwerte und den Werkzeugwechsel auf jeweils etwa eine halbe Stunde trieb. Auch Werkzeugwechsel würden sich auf die Oberflächengüte auswirken, selbst unter den besten Umständen, wenn ein Werkzeugausfall oder ein starker Rückgang der Werkzeugstandzeit nicht zu Schäden am Werkstück und am Schälkopf geführt hätte.

Daher müssten Schneidwerkzeuge und Einsätze die gesamte Zykluszeit für jedes Teil überdauern – eine Herausforderung, die durch das austenitische Edelstahlmaterial 1.4435 des Teils noch schwieriger wird. Dabei handelt es sich um ein zähes Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und Neigung zur Kaltverfestigung, Faktoren, die hohe Anforderungen an das Schneidwerkzeug stellen. Viele der von Weingärtner getesteten Schneidwerkzeuge waren nicht in der Lage, die Anforderungen an die Werkzeugstandzeit des Auftrags zu erfüllen. Daher ging der Werkzeugmaschinenhersteller eine Partnerschaft mit Kennametal ein, um Werkzeuge zu finden, die den Anforderungen dieses anspruchsvollen Auftrags gerecht werden.

Jeder von Weingärtner und seinen Kunden produzierte Rotor wird auf einen Durchmesser von 160 Millimetern vorgedreht, bevor er zum Wendeschälen in die Vario+ 700 gelangt. Der Prozess entfernt fast 60 Millimeter Material über die gesamte Länge des Teils von 3.900 Millimetern.

Eine feste (Karbid-)Lösung

Nach der Analyse der Schnittdaten von Weingärtner und der Anpassung einiger Geometrien empfahl das Kennametal-Team die Hartmetallsorte KCU25B. Diese Sorte verwendet die dreischichtige KENGold PVD-Beschichtung des Unternehmens, die laut Kennametal die Beständigkeit gegen thermische Verformung, Kantenverschleiß und allgemeinen Verschleiß verbessert, um die Haltbarkeit des Werkzeugs zu verbessern.

„Die Standzeit war von Anfang an beeindruckend, die Oberflächenqualität war konstant und die Spankontrolle zuverlässig“, sagt Weber und weist darauf hin, dass das Werkzeug die geforderte Standzeit von 150 Minuten zuverlässig einhalten konnte. Für die jeweilige Anwendung kombinierte Weingärtner seinen Drehschälkopf mit neun Schruppschneidplatten, die mit einer axialen Schnitttiefe von 5,5 mm arbeiten, und einer Schlichtschneidplatte, die mit einer axialen Schnitttiefe von 2,0 mm arbeitet.

Weingärtner erreichte mit diesen Werkzeugen Oberflächengüten von 2,2 Mikrometer Ra und 9,5 Mikrometer Rz, ein Ergebnis, das nach Angaben des Unternehmens den in späteren Fertigungsphasen erforderlichen Schleifaufwand reduziert. Die Werkzeuge haben sich außerdem als langlebig genug erwiesen, dass Weingärtner und sein Kunde aggressivere Schnittparameter als erwartet verwenden können. Markus Pleyer, Kennametals Vertriebsingenieur für das Projekt, sagt:„Durch die Optimierung des Prozesses konnten wir die Bearbeitungszeit von 150 auf 126 Minuten reduzieren – mit durchweg hervorragenden Ergebnissen.“