Präzisionsbearbeitung von Kleinteilen: Werkzeuge, Techniken und Produktivitätsgeheimnisse

Kleinteiledrehen bedeutet enge Toleranzen, extreme Spindeldrehzahlen und schwer zerspanbare Materialien. Hier verraten Experten, wie Sie in dieser anspruchsvollen Umgebung die Produktivität maximieren.

Manche sagen, die Welt wird kleiner. Sie könnten recht haben – aber wer nicht für einen Medizin-, Luftfahrt- oder Automobilhersteller arbeitet, realisiert vielleicht nicht, wie klein sie wirklich geworden ist.

Diese und andere Hightech-Branchen packen immer mehr Funktionalität in immer kleinere Räume. Das bedeutet, dass die Zerspanungsteile für Medizinimplantate, Elektronikgeräte und ähnlich komplexe Gadgets ebenfalls schrumpfen müssen.

Auch die Materialien werden nicht leichter zu bearbeiten. Da sind die superharten Titan- und Nickelbasis-Superlegierungen für Luftfahrtteile, ganz zu schweigen von Kobalt-Chrom, Platin und zahlreichen proprietären Metallen in der Medizintechnik.

Und während die winzigen Kupfer- oder Messingverbinder und -Stifte für die zunehmend sensorbestückten Automobile die Schneidwerkzeuge nicht allzu stark beanspruchen, bringt jedes Teil, das ein Mikroskop zur Inspektion erfordert, seine eigenen Herausforderungen mit sich.

Den GRIP bekommen

„In diesem Bereich benötigen Werkzeuge eine sehr scharfe Schneide, sie müssen freischneidend sein, und Sie müssen eine gute Spankontrolle haben.“ Das sagt Clay East, National Product Manager für die GRIP-Werkzeuglinie bei Iscar Metals Inc.

Er bezieht sich speziell auf das Schweizer CNC-Drehen, obwohl die Empfehlungen von ihm und den anderen in diesem Artikel zitierten Experten gleichermaßen für Spulen-Drehmaschinen, Revolvertransfermaschinen und Mehrspindel-Drehautomaten gelten.

Ironischerweise sind einige der Hindernisse hier dem Fachkräftemangel geschuldet. East und die anderen Experten weisen darauf hin, dass Zerspaner heute oft mehrere Maschinen bedienen müssen – in manchen Betrieben bis zu 10 oder sogar 15 gleichzeitig. Das bedeutet, Prozesse müssen vorhersehbar und problemlos sein. In der Kleinteilewelt lässt sich viel davon mit den beschriebenen scharfen, spanbrechenden Werkzeugen erreichen – diese müssen aber auch einfach zu bedienen sein.

„Eines der vielen Dinge, die wir beim Design von Werkzeugen für die Schweizer Industrie berücksichtigen, ist der Spannmechanismus“, sagt er. „Anstatt die Schraube vollständig herauszudrehen, um die Wendeplatte zu indexieren, haben wir es so gestaltet, dass der Bediener sie nur drei- bis dreieinhalbmal drehen muss. Das macht den Wendeplattenwechsel viel schneller und löst das Problem, das jeder Schweizer Bediener kennt: Die Schraube fällt in die Spänemulde und wertvolle Maschinenzeit geht für die Suche verloren.“

Späne brechen

East sagt, es sei schwierig, Wendeplatten herzustellen, die bei den relativ geringen Vorschüben und Schnitttiefen im Schweizer Drehen Späne brechen – besonders bei langspannenden Materialien wie Titan und 17-4 PH, die auf diesen Maschinen häufig sind. Diese Herausforderung ist dank moderner Design-Tools, die Iscar und andere nutzen, leichter geworden – weshalb Betriebe ihre Werkzeugauswahl kontinuierlich überprüfen sollten (siehe Sidebar).

Brian Wilshire, Technical Center Manager bei Kyocera Precision Tools, stimmt der Notwendigkeit hochwertiger Schweizer Schneidwerkzeuge zu, merkt aber an, dass eine vor einigen Jahren von führenden CNC-Maschinenherstellern eingeführte Spankontrolltechnologie ein neues Problem geschaffen hat: Kaltverfestigung bei Nickelbasislegierungen und austenitischen (300er-Serie) rostfreien Stählen.

„Einige der neueren Schweizer Drehmaschinen haben eine Funktion, die das Werkzeug mit sehr hoher Frequenz leicht hin und her oszillieren lässt“, erklärt er. „Das bricht Späne hervorragend, verkürzt aber die Standzeit etwas. Wir haben festgestellt, dass eine zähere Sorte mit verschleißfester Beschichtung in diesen oszillierenden Werkzeugwegen sehr effektiv ist.“

Wilshire empfiehlt zudem, den größtmöglichen Werkzeug-Eckenradius zu verwenden, um den Vorschub zu maximieren und die bestmögliche Oberflächengüte zu erreichen. Er weist jedoch darauf hin, dass dies in bestimmten Anwendungen Probleme verursachen kann.

Beispielsweise kann ein Zerspaner, der eine Wendeplatte mit 0,008″ ± 0,002″ Eckenradius verwendet, um ein Teil mit maximal 0,010″ innerem Eckenradius zu drehen, diese Toleranz bereits ab Werk überschreiten. „Wir bieten jetzt Wendeplatten mit Minus-Toleranz am Eckenradius an, um diese Möglichkeit auszuschließen“, fügt er hinzu.

Kühlung behalten

Kyocera und Iscar haben eine weitere relativ neue Ergänzung an Schweizer Drehmaschinen adressiert: die Innenkühlung durch das Werkzeug. Anstatt flexibler Leitungen und Kunststoffschläuche, die zeitaufwendig einzurichten sind und durch langspannende Späne leicht aus der Position gezogen werden, haben die Unternehmen Werkzeughalter mit integrierten Kühlkanälen und Düsen eingeführt, die den Hochdruckkühlschmierstoff (HPC) bewältigen können, der auf immer mehr CNC-Maschinen zu finden ist.

Auch Seco Tools bietet dies an, sagt Abhay Chaubal, Product Manager für Nordamerika.

„Die Herausforderung bei jeder Werkzeugmaschine ist die Maximierung der Auslastung – und das bedeutet, Rüst- und Werkzeugwechselzeiten zu reduzieren“, sagt er. „Wir bieten jetzt Werkzeughalter an, die nicht nur den traditionellen Aufwand mit Kühlmittelleitungen durch Innenkühlung eliminieren, sondern auch einen Schnellwechsel-Modulkopf haben, der es dem Bediener ermöglicht, Wendeplatten außerhalb der Maschine zu wechseln, während die Genauigkeit erhalten bleibt.“

Eric Gardner, North American Application Specialist bei Seco Tools, weist darauf hin, dass die meisten heute verkauften Schweizer CNC-Drehmaschinen Fräsfähigkeiten besitzen – ein Muss für viele Kleinteile aufgrund der Schwierigkeit, sie zu spannen, und der Kosten für Nachbearbeitung. Das gibt Programmierern und Zerspanern die Möglichkeit, Hochgeschwindigkeitsfrästechniken auf der Schweizer Plattform anzuwenden.

Spezifisch werden

„Ich empfehle Betrieben, wann immer möglich Hochgeschwindigkeits- und Trochoidalfrässtrategien einzusetzen – auch bei Kleinteilen“, sagt Gardner. „Wir haben kürzlich mit einem Medizinkunden an einer Nutenoperation gearbeitet, der die Zykluszeit durch dynamisches Fräsen erheblich reduzierte und die Standzeit von 200 auf über 2.000 Teile pro Werkzeug erhöhte.“

Wie ihre Wettbewerber empfehlen auch Gardner und Chaubal, dass Zerspanungsbetriebe – unabhängig von der Werkstückgröße – material-spezifische Schneidwerkzeuge evaluieren. Diese Empfehlung ist besonders relevant für die bearbeiteten, schwierigen Luftfahrt- und Medizintechnik-Metalle und für die Langzeitjobs, die auf Schweizer Maschinen üblich sind.

„Das größte Hindernis für viele Luftfahrt- und Medizintechnik-Hersteller ist die Schwierigkeit, einen validierten Prozess zu ändern“, sagt Chaubal. „Deshalb arbeiten wir gerne früh in der Prozessentwicklung eng mit Kunden zusammen, um sicherzustellen, dass sie die besten Werkzeugwege, Schneidwerkzeuge und Werkzeughalter verwenden.“

Alte Wege? Wahrscheinlich nicht die besten

Etwas überraschend ist die Entwicklung hochwirksamer Schneidwerkzeuge über die Jahre einfacher geworden. Statt auf Erfahrungswissen und unzählige Testschnitte zur Optimierung neuer Designs zu setzen, nutzen Schneidwerkzeughersteller heute Finite-Elemente-Analyse-Software (FEA), um die Physik der Metallabtrennung auf mikroskopischer Ebene zu analysieren und zu bestimmen, welche Spanbrecher, Schneidenvorbereitungen und Oberflächenbehandlungen für ein gegebenes Material oder eine Anwendung am besten funktionieren. Das Ergebnis? Schneidwerkzeuge leisten heute mehr als je zuvor.

Dennoch erzählen viele Vertriebs- und Anwendungstechniker von traditionellen Betrieben, die ihre Werkzeuge selbst schleifen oder veraltete Technologie nutzen – in der festen Überzeugung, ihre Methoden seien die besten, und moderne Werkzeuge trieben nur die Kosten in die Höhe. Nichts könnte weiter von der Wahrheit entfernt sein. Betrachtet man den technologischen Fortschritt der letzten zehn Jahre, haben sich Schneidwerkzeuge in gleichem Maße weiterentwickelt. Deshalb sollten Betriebe aller Art regelmäßig neue Produkte evaluieren – besonders jene, die in der Kleinteilebearbeitung und anderen anspruchsvollen Arbeiten tätig sind.

Das ist nicht unbedingt einfach. Neben der Überwindung von „So haben wir es immer gemacht“-Mentalitäten muss die Geschäftsleitung Zeit für Recherche und Tests bereitstellen, oft durch die erfahrensten Mitarbeiter. Werkzeuginvestitionen müssen getätigt, Jobs neu programmiert werden, und aufgrund der gesteigerten Produktivität sind oft Anpassungen in nachgelagerten Prozessen nötig, um Engpässe zu verschieben. Trotz des Aufwands überwiegen die Vorteile bei weitem die temporären Störungen. Vielleicht ist es an der Zeit, die Schneide zu umarmen.

Welche Tipps oder Techniken können Sie zum Kleinteiledrehen beitragen? Lassen Sie es uns in den Kommentaren unten wissen.

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