Hocheffiziente Hartzerspanung

Verbundvorhaben

Hocheffiziente Hartzerspanung mit neuartigen und innovativen monolithischen CBN-Werkzeugen

Bearbeitung von HSS mit CBN-Werkzeug

Projektinhalt/Zielsetzung

Das Forschungsvorhaben hat die Entwicklung der hocheffizienten Hartzerspanung unter Nutzung von Werkzeugen mit monolithischem CBN-Schneidkopf zur Zielstellung. Dabei ist die Technologielücke bei der Hartzerspanung unter Verwendung von CBN-Schneidstoffen für den Werkzeugdurchmesserbereich 1 mm bis 10 mm (ab da sind Werkzeugsysteme mit bestückten Wendeschneidplatten einsetzbar) zu schließen. Durch eine anwendungsorientierte Werkzeugentwicklung sowie umfassende und systematische Untersuchungen entlang der Prozesskette sollen die Voraussetzungen für den prozesssicheren, anwendungsbezogenen Einsatz neuartiger CBN-Werkzeuge für die Hartbearbeitung in den Bereichen Werkzeug- und Formenbau, Automotive sowie Maschinenbau geschaffen werden.

Durch den Einsatz dieser Werkzeuge ist im Vergleich zur Verwendung klassischer Vollhartmetall-Werkzeuge von einer 5-10-fachen Standzeitsteigerung auszugehen. Die zu erwartenden Zeitspanvolumen sind durch höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten um den Faktor 2 größer als bei der Bearbeitung mit Werkzeugen aus Vollhartmetall. Dem gegenüber steht eine um den Faktor 5 höhere Vorkalkulation zu Herstellungskosten monolithischer CBN-Werkzeuge. Anhand dieser vorsichtig prognostizierten Steigerungsraten wird das große Potential von monolithischen CBN-Werkzeugen im Werkzeugdurchmesserbereich 1 mm bis 10 mm deutlich. Bereits bei Erreichen der unteren Grenze der Standzeitsteigerung (Faktor 5) sind die erhöhten CBN-Werkzeugkosten ausgeglichen. Durch die Einsparung von 4 Werkzeugwechseln, die mögliche 10-fache Standzeitsteigerung und die Halbierung der Bearbeitungszeit aufgrund des gesteigerten Zeitspanvolumens zeigt sich das erhebliche Potential zum Einsatz von CBN-Werkzeugen für eine effiziente und kostengünstige Hartbearbeitung.

Zusammenfassend können als Zielwerte daher eine Reduzierung der Werkzeugkosten um 50% und eine Halbierung der Bearbeitungszeit für eine Etablierung von CBN-Werkzeugen für die Hartbearbeitung im avisierten Durchmesserbereich definiert werden. Weiterhin sind durch den Einsatz von CBN-Werkzeugen Steigerungen in der Oberflächenqualität zu erwarten. Daher soll im Rahmen des Projektes die Etablierung der monolithischen CBN-Werkzeuge sowohl für die Schrupp- als auch für die Schlichtbearbeitung erfolgen. Dabei sollen insbesondere bei der Finish-Bearbeitung Oberflächenqualitäten im Bereich Rz 0,8 µm bis Rz 1µm erreicht werden. Bei Erreichen dieser Zielgrößen können in vielen Bereichen des Werkzeug- und Formenbaus weitere Prozessschritte wie beispielsweise die nachfolgende Finish-Bearbeitung durch Schleifen substituiert werden.

Vor den genannten Zielstellungen sind im Rahmen des Projektes einerseits die Verfahrensgrundlagen für die Bearbeitungs- und Abtragsmechanismen bei signifikant gesteigerten Bearbeitungsgeschwindigkeiten zu untersuchen und andererseits das erforderliche Prozessumfeld mit Maschine, Werkzeug- und Bauteilspannung, Kühlschmierung, Bearbeitungsstrategie und -parameter zu bewerten und weiterzuentwickeln, um die Voraussetzungen für eine geplante Serienfertigung zu schaffen. Im Vergleich zu konventionellen Hartbearbeitungsverfahren werden die gesteigerte Prozessstabilität, die Effizienz bzgl. Bearbeitungszeiten, Qualität sowie Energie- und Ressourceneinsatz bewertet. Weiterhin wird die Integration dieser neuen Verfahrensvariante der Hartbearbeitung von Präzisionsteilen in eine verkürzte Gesamtprozesskette untersucht und in Standzeitversuchen verifiziert. Die neue Endbearbeitungstechnologie führt zu erhöhten Qualitäten und Funktionalitäten der Einzelbauteile mit resultierenden verbesserten Gebrauchseigenschaften der Endprodukte (z.B. Stanzstempel, Spritzgießwerkzeuge). Diese Effekte sollen ebenfalls anhand experimenteller Untersuchungen evaluiert werden.

Förderprogramm

SAB Sächsische Aufbaubank FuE-Projektförderung

  

Diese Maßnahme wird mitfinanziert durch Steuermittel auf Grundlage des von den Abgeordneten des Sächsischen Landtags beschlossenen Haushaltes.

  

Teilprojekte und Ansprechpartner

Entwicklung und Fertigung von Fräswerkzeugen mit monolithischem CBN-Schneidkopf

Die Gesau Werkzeuge GmbH konzentriert ihre FuE-Arbeiten innerhalb des Teilprojektes insbesondere auf die Werkzeugentwicklung und -herstellung unter den Aspekten Schneidengestaltung, Schneidenanzahl, Variantenvielfalt der Fräsergeometrien und Aspektverhältnisse für diverse Durchmesserabstufungen monolithischer CBN-Schneidköpfe. Zudem auch auf die reproduzierbare und prozesssichere Verbindung des Schneidkopfes mit dem Werkzeugschaft. Eine weitere wesentliche Rolle bei der Entwicklung dieser Werkzeuge stellt die umfassende Kenntnis der werkstoffspezifischen Besonderheiten und Schwankungen der Lieferqualitäten des Ausgangsmaterials CBN dar. Entsprechende Bewertungsmöglichkeiten sind daher ebenfalls zu untersuchen und zu bewerten.

Kontakt

GESAU Werkzeuge Fabrikations- und Service GmbH
Tunnelweg 2a
08371 Glauchau
Ulf Köhler
Telefon +49 3763 6004-0
Fax +49 3763 6004-20
infomail@gesau-werkzeuge.de
www.gesau-werkzeuge.de
 

Bearbeitung von Class A Oberflächen und Rippenbearbeitung

Der steigende Anspruch der Oberflächenqualitäten und damit erhöhte Anteil an Polierarbeiten am Gesamtauftragsvolumen machen es in Zukunft unabdingbar zugehörige Bearbeitungsstrategien entsprechend zu optimieren. Das Ziel ist ein verringern bzw. entfallen von Polierprozessen. Dies kann nur bei einer grundlegenden Betrachtung aller Prozesseinflussgrößen und gleichzeitiger Erhöhung der Werkzeugstandzeiten erreicht werden. Das Fräsen von hochgenauen und feinst geschlichteten Oberflächen und die Bearbeitung von Rippenkonturen stellen hier die höchsten Ansprüche. Diese beiden Anwendungsbeispiele sind im besonderen Maße von erhöhten Polierkosten und von der Standzeit des Fräswerkzeuges abhängig. Das Fertigen von  Class A Oberflächen, unter Betrachtung der Maschinenkinematik,  der Frässtrategie, der Programmausgabe des CAM-Systems, der Einsatz  unterschiedlicher Kühl- und Schmierkonzepte, mit Werkzeugen mit monolithischem CBN-Schneidkopf ist dabei als ein vielversprechender Ansatz grundlegend zu untersuchen.  Als weiterer Anwendungsbereich kann zudem der Einsatz von einwechselbaren Hochleistungsspindeln gesehen werden, da hier kein Werkzeugwechsel möglich ist  und sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden können. Hieraus ergibt sich eine  sehr sinnvolle Kombination aus Werkzeugen mit monolithischem CBN-Schneidkopf und Schnelllaufspindeln, was voraussichtlich zu einer weiteren Verbesserung der Bearbeitungsergebnisse und Standzeiten führen wird.

Kontakt

pro forma Leistungen für den Werkzeugbau GmbH
Agricolastraße 1
01471 Radeburg
Dr.-Ing. Karl Heinz Zehe / René Walther
Telefon +49 35208 3459-0 / +49 35208 3459-21
Fax +49 35208 3459-41
info@pro-forma-gmbh.de
r.walther@pro-forma-gmbh.de
www.pro-forma-gmbh.de

Technologieentwicklung zum Hartfräsen von Bauteilen für Injektoren der Einspritztechnik

Zur Verbesserung der Verbrennungstechnik im Automobilsektor wurden neuartige Dieselinjektoren für die Common Rail Technik entwickelt. Diese CR-Injektoren mit Piezoantrieb werden seit dem Jahr 2000 bei der Continental Automotive GmbH am Standort Limbach-Oberfrohna, in mehreren Millionen Stück pro Jahr, in Serie gefertigt. Um zukünftig am Standort wettbewerbsfähig zu bleiben sowie nationale und internationale Grenzwerte in den Abgaswerten einzuhalten, ist es notwendig, den Systemdruck im Einspritzsystem weiter zu steigern. Weiterhin ist eine Reduzierung des ungenutzten Kraftstoffvolumens notwendig. Dabei gibt es zwei Problemstellungen. Einerseits erreichen die verfügbaren Materialien nicht mehr die nötige Dauerhaltbarkeit und andererseits kommt es zunehmend zu Kavitationsschäden. Von signifikanter Bedeutung  für die Dauerhaltbarkeit ist die Oberflächenqualität. Als Wert hierfür dient die Oberflächenrauheit (Pt und Rz). Eine Reduzierung der Oberflächenrauhigkeit minimiert das Risiko von kerbwirkungsinduzierten Materialversagen in Form von Rissbildungen. Die Beherrschung von Kavitationseffekten gelingt künftig nur mit kleineren und vor allen präziseren Düsengeometrien (Sitz und Sackloch).

Im konventionellen Fertigungsprozess sind weiter ansteigende Anforderungen an die Oberflächenqualität und die Präzision gleichbedeutend mit einem exponentiellen Ansteigen der Fertigungskosten. Für alternative Fertigungsmöglichkeiten, wie z. B. Hartfräsverfahren in tiefliegenden Bohrungen, fehlen jedoch die notwendigen Werkzeuge oder befinden sich noch im Laborstatus. Im Detail sind folgende Forschungsarbeiten vorgesehen:

  • Vorentwicklung und Versuche an Testwerkstücken
  • Technologieentwicklung und Entwicklung geeigneter Bearbeitungs- sowie Kühlstrategien für die Prototypenfertigung mit endformnahen Bauteilen
  • Untersuchungen zu Bearbeitungsgrenzen, max. Einsatztiefe und Auskraglängen bei der Injektorenbearbeitung
  • Untersuchungen zur Überprüfung der Fertigungstechnologie und erzielten Erkenntnisse hinsichtlich Großserienfähigkeit

Dabei werden folgende anwenderbezogene Zielstellungen verfolgt:

  • Ersatz der konventionellen Fertigungsstrategie durch reproduzierbares und prozesssicheres Hartfräsen mittels geeigneter Werkzeugen mit monolithischem CBN-Schneidkopf
  • Bearbeitung der Sitz- und Sacklochgeometrie im Düsenkörper mit einem Werkzeug um die notwendigen Toleranzen erreichen zu können

Kontakt

Continental Automotive GmbH
Ostring 7
09212 Limbach-Oberfrohna
Rüdiger Garn
Telefon +49 3722 400-1816
Fax +49 351400-1171
Ruediger.Garn@continental-corporation.com
www.continental-automotive.com 

Bearbeitungsstrategien für Pulverstähle mit geringsten Eckenradien/ scharfkantigen Formnestgeometrien

Die Bearbeitungsaufgaben im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus bei der Gebrüder Ficker GmbH sind vielfach durch Geometrien mit sehr kleinen Eckenradien R = 0,05…0,2 mm gegenzeichnet oder sind als scharfkantige Innengeometrie mit teils sehr großen Aspektverhältnissen bzw. in dünnwandiger Ausführung zu fertigen. Zudem sind stetig steigende Anforderungen an die einzusetzenden Werkstoffe und deren Härte feststellbar. So kommen neben Standardmaterial 1.2343 ESU 52 HRC vermehrt auch Kaltarbeitssstahl 1.2379 mit 58 HRC bzw. Pulverstähle wie Uddeholm Elmax mit 58 HRC oder ASP 2060 mit 63 HRC zur Anwendung. Klassische Bearbeitungsverfahren stoßen hier bereits an verfahrenstechnische und auch wirtschaftliche Grenzen. Die Hartbearbeitung insbesondere dieser Werkstoffgruppen und Geometrieelemente unter Nutzung der neu zu entwickelnden Werkzeuge mit monolithischem CBN-Schneidkopf stellt somit einen vielversprechenden Ansatz für eine Prozesskettenoptimierung bei der Gebrüder Ficker GmbH dar. Erhebliches Potential für tiefe Kavitäten verspricht bspw. die Substitution des Erodierens durch Hartfräsen.

Kontakt

Gebrüder Ficker GmbH Formen- und Werkzeugbau
Am Federnwerk 5
09496 Marienberg
Martin Dietze
Telefon: +49 3735 9166-0
Fax +49 3735 9166-120
kontakt@formenbau-gf.de
www.formenbau-gf.de

Anwendungsorientierte Technologieentwicklung und Prozesskettengestaltung

Die Forschungsarbeiten des Fraunhofer IWU sind innerhalb des Teilprojektes auf die Ableitung von Einsatzempfehlungen und Prozessparametern für die anwendungsorientierte Technologieentwicklung in Standardhartbearbeitungsanwendungen ausgerichtet. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung angepasster Frässtrategien zur Gewährleistung kontinuierlicher Schnittbedingungen. Die Strategieentwicklung zielt auf die Vermeidung kritischer mechanischer Wechselbelastungen an der Schneide und die Reduzierung der Gefahr von Schneidkantenausbrüchen durch diskontinuierlichen Schneideneingriff. Die Technologieentwicklung erfolgt sowohl für die Vor- als auch Finishbearbeitung. Weiterhin sind Arbeiten zum Polierfräsen mit monolithischen CBN-Werkzeugen vorgesehen, um in Abhängigkeit von Schneidengestaltung und Prozessparametern die erzielbaren Oberflächengüten zu ermitteln und vergleichend weiteren Finishbearbeitungsverfahren gegenüberzustellen. Weitere Forschungsarbeiten dienen der Entwicklung einer geeigneten Kühlschmierstrategie sowie der zugehörigen Prozessauslegung zur Trocken- (Blasluft) und MMS-Bearbeitung. Der Fokus liegt auf einer gezielten, volumenstrom- und partikelgrößengeregelten sowie abschattungsfreien Medienzuführung an die Werkzeugschneide, wobei durch feinst dosierbare Additivbeimengung die Spanbildungsmechanismen verbessert und Spänefreiheit an der Wirkstelle gewährleistet werden soll.

In Bezug auf die Überführung der neuartigen und innovativen Werkzeuge mit monolithischem CBN-Schneidkopf und zugehörigen Technologien auf anwendungsspezifische Bauteile des Werkzeug- und Formenbaus, des Maschinenbaus und in Automotive-Komponenten sind Endanwender aus diesen Branchen integraler Bestandteil des Projekts. Sowohl für den Einsatz in der Kleinserien- und Einzelteilfertigung als auch für den späteren Großserieneinsatz sollen Anwendungsfelder untersucht und bewertet werden, um daran das Verwertungspotenzial der Entwicklung aufzuzeigen.

Kontakt

Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz
Udo Eckert
Telefon +49 371 5397-1932
Fax +49 371 5397-1930
udo.eckert@iwu.fraunhofer.de
www.iwu.fraunhofer.de