HPC im Aluminium

Heute werden zahlreiche Bauteile aus Aluminium-Druckguss gefertigt. Diese Tatsache gilt speziell für Komponenten des Fahrzeugbaus aber auch für Gerätehersteller, Pumpen- und Kompressoren-Produzenten, welche die besonderen Vorzüge dieses Materials gern nutzen, wenn es um größere Serien geht. Die Teile werden leichter und zugleich stabiler als beim bisher oft verwendeten Grauguss. Das Druckgießen ¿ auch von komplexen Formen ¿ erfolgt in kürzerer Zeit und die einzusetzende Materialmenge wird kleiner. Daraus resultieren produktionstechnische und wirtschaftliche Vorteile, die überzeugen. Ein wesentlicher Grund für die verbesserte Formstabilität von Druckgussteilen sind die erhöhten Silizium-Anteile in den verwendeten Aluminiumlegierungen.

Alternative bringt neue Herausforderungen beim Zerspanen

Was auf der einen Seite als positive Entwicklung betrachtet werden kann, stellt bei der spanenden Verarbeitung solcher Druckgussteile plötzlich massiv erhöhte Anforderungen an die Produktionsplanung, die Werkzeugmaschinen sowie an die eingesetzten Werkzeuge. Immerhin gilt es, das hohe Leistungspotenzial moderner Bearbeitungscenter maximal auszunutzen. Der Trend zu solchen Aluminiumlegierungen ¿ in Form von Druckgussteilen und Stangenmaterial als gewichtssparende Alternative zu Grauguss und Stahl ¿ hat zu einem beachtlichen Entwicklungssprung in der Zerspanungstechnologie und bei der Feinbearbeitung geführt. Die von der Dihart AG erhältlichen Werkzeuge mit aufgelöteten polykristallinen Diamant-Schneiden (PKD) sind damit in neue Dimensionen bei Produktionsgeschwindigkeiten, Werkzeug-Standzeiten und Oberflächengüte der zu bearbeitenden Bohrungen vorgestoßen.

PKD-Schneiden können durch ihre Härte und ihren Abrasionswiderstand die dynamischen Belastungen beim Zerspanen von Werkstücken mit hohem Siliziumgehalt (größer zehn Prozent) über eine lange Nutzungsdauer aushalten. Die anzutreffende Mischung von weichen und harten Bestandteilen in diesen Legierungen führt zu extremen Schneidverhältnissen, wie sie in der Regel bei unterbrochenem Schnitt auftreten. Dank der um ein Vielfaches höheren Standzeiten eignen sich PKD-Werkzeuge für diese schwierigen Verhältnisse und somit für die meist großen Stückzahlen bei Aluminium-Druckgussteilen. Untersuchungen haben ferner gezeigt, dass dieser Schneidstoff ¿ im Gegensatz zu anderen Schneidstoffen und Beschichtungen ¿ eine konstante Oberflächengüte bei hohen Schnittgeschwindigkeiten erzeugt. Dies sogar auf deutlich besserem Qualitätsniveau.

In engem Zusammenhang dazu steht den PKD-Werkzeugen ein wesentlich umfangreicherer Anwendungsbereich bei der Feinbearbeitung zu. Die höhere Oberflächengüte ist zudem das Resultat der festen, gelöteten Verbindung von PKD-Schneiden mit dem Schaft, die keinerlei lokale Schwingungen zulässt und mit konstanter Maßhaltigkeit der Schneidgeometrien arbeiten kann. Im Übrigen kommt hier das Dihart-Motto ¿ ¿fit for use¿ ¿ voll zum Tragen, da das Werkzeug für den gewünschten Bohrungsdurchmesser vorbereitet ist und somit unverzüglich, einstellungsfrei genutzt werden kann. Das erste bearbeitete Werkstück ist bereits maßgenau.

Reiben perfektioniert den letzten Arbeitsschritt

Die Reibtechnologie stellt die Kernkompetenz von Dihart dar. Das Reiben ist der eindimensionale Arbeitsschritt der Fertigbearbeitung von Bohrungen aller Art in den Rauheitsklassen N4 bis N9. Neben der Oberflächenqualität sind Rundheit, Maßhaltigkeit mit engsten Toleranzen sowie höchste Bearbeitungszuverlässigkeit von Bedeutung. Denn meist als letzter Schritt in der Wertschöpfungslinie ist hier Perfektion kein leeres Wort. Mit der Mehrschneidigkeit der Werkzeuge werden die Anforderungen an Qualität und Leistungsfähigkeit erfüllt, zudem kann die Schneidenform jeweils für die spezifischen Bedingungen ausgelegt werden.

In vielen Fällen wird heute beispielsweise die Bearbeitungszugabe einer gegossenen Bohrung in einem Druckgussteil in einem Arbeitshub abgetragen, so dass man die gewünschte Maß- und Oberflächenqualität direkt durch das Reiben erreicht. In vielen Fällen tauchen die Herausforderungen jedoch nicht bei Standardbohrungen auf, sondern bei speziellen Konturen, Absätzen, bestimmten Toleranzen von Linearität und Fluchtung sowie exakt einzuhaltenden Distanzen einzelner Bohrungskanten. Hier kommen die anwendungsspezifischen Lösungen zum Tragen, indem Werkzeuge mit maßgeschneiderten Kombinationen von Reibahlen und ¿ ringen gefertigt werden. Durch die extrem hohen Standzeiten der mit PKD-Schneiden bestückten Einheiten bieten diese Kombi-Werkzeuge ein wirtschaftlich interessantes Mittel für das gleichzeitige Erreichen der Produktions- und Qualitätsziele bei Großserien.

Kombinierte Werkzeuge verkürzen Produktionszeiten

Mit speziell ausgelegten Kombi-Werkzeugen lässt sich auf modernen Hochleistungs-Bearbeitungszentern die Anzahl der Werkzeugwechsel reduzieren, indem die Gesamtanzahl der eingesetzten Werkzeuge abnimmt. Die Produktivität steigt durch die damit verbundenen Zeiteinsparungen. Zum anderen kann das Leistungspotenzial bei Schnittgeschwindigkeit und Vorschub vollumfänglich genutzt werden. Mehrere Bearbeitungsschritte in einem Werkzeug vereint, bedeuten meist auch weniger Handling sowie das mögliche Einsparen einer Bearbeitungszelle innerhalb einer Transferlinie für die Massenproduktion.

Als sinnvolle Ergänzung des erfolgreichen Reibahlen-Sortiments stehen seit kurzem auch Fräswerkzeuge mit aufgelöteten PKD-Schneiden zur Verfügung. Diese erlauben das fast gratfreie, maßhaltige Bearbeiten sowohl bei der Nassbearbeitung als auch im Trockenschnitt. Während die empfohlenen Richtwerte beim Reiben für die Schnittgeschwindigkeit bei bis zu vc = 500 m/min und für den Vorschub bei fz = 0,1 bis 0,2 mm/U liegen, kann beim Fräsen das gegebene Leistungsvermögen der heutigen Bearbeitungscenter komplett ausgeschöpft werden. Einsatzwerte von S = 2000 m/min und F = 1 mm/U bilden in vielen Fällen eine solide Basis für kurze Bearbeitungszeiten von groß dimensionierten Werkstücken. PKD-bestückte Planfräser stehen standardmäßig mit einem Durchmesser von 32 bis 125 mm zur Verfügung, Schaftfräser von 12 bis 25 mm.

Während die Planfräser speziell für den Einsatz bei Plan- und Anschlussflächen geeignet sind und sowohl Vor- und Fertigbearbeitung ermöglichen, wird der Schaftfräser für das Zirkularfräsen von Bohrungen und Nuten mit hohen Ansprüchen an Leistung und Oberflächenqualität verwendet. Schaftfräser können als multifunktionale Werkzeuge auch für das Eintauchen unter fünf Grad in ein Werkstück eingesetzt werden sowie für das überfräsen von Stegen. Speziell ausgelegte Taschen-, Walzen- und Formfräser mit PKD-Schneiden ergänzen das Programm.

Kundenoptimierte Lösungen

Dank intensiver Entwicklungsaktivitäten nehmen die mehrschneidigen PKD-bestückten Werkzeuge heute einen festen Platz bei der anspruchsvollen Bearbeitung von unterschiedlichsten Druckgussteilen aus Aluminiumlegierungen mit hohem Siliziumgehalt ein. Durch einen partnerschaftlichen Kundenkontakt lassen sich die jeweiligen Bedürfnisse präzise eruieren und daraufhin angepasste Lösungen realisieren. Immer wieder ist erkennbar, dass die konkreten Produktionsbedingungen einen kundenoptimierten Ansatz notwendig machen, um das komplexe Systemgefüge von Werkstück, Maschine, Werkzeug und Kühlmittel zu dem gewünschten Resultat zu bringen.

Anwendungsbeispiele

Das Druckgussteil für einen Klimaanlagen-Kompressor aus AlSi5Ni5 wurde auf einem Vertikal-Center bearbeitet und hat dabei die Richtwerte fürs Reiben deutlich übertroffen. Jede der drei Bohrungen konnte in nur 1,1 Sekunden gefertigt werden. Mit einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 452 m/min und einem Vorschub von F = 0,38 mm/U rauschte die Sechs-Schneiden-Reibahle förmlich durchs Werkstück. Die erforderliche Präzision von 0,02 mm und eine Rundheit von 0,002 mm wurde durch einen Ausgleichshalter unterstützt, der mögliche Achsfehler auf einfache Weise korrigiert. Durch die Reiboperation wurde eine Oberflächengüte von Ra = 0,2 mm konstant erreicht, was dazu führte, dass die bis anhin aufwändige Rollierbearbeitung überflüssig wurde.

Die Vorzüge eines mehrstufigen Werkzeugs mit speziell geformten PKD-Schneiden kam bei einem Bremszylinder mit einer Bohrung von 136 mm Länge zum Tragen. Das Bohrungsmaß betrug 25,44 ±0,04 mm, und eine Oberflächengüte von Ra = 0,2 (m musste erreicht werden, um die Rollieroperation eliminieren zu können. Der Boden der Bohrung wurde mit zwei Schneiden plan bearbeitet, während die zwei weiteren Schneiden etwas nach hinten versetzt einen entsprechenden Absatz fertigen konnten. Um den Späneabtransport optimal zu gewährleisten, wurde die Zuführung von Emulsion an der Werkzeugspitze entsprechend gestaltet. Auch bei diesem Bearbeitungsbeispiel konnten hohe Schnittgeschwindigkeits- und Vorschubwerte erreicht werden: 480 m/min und 0,8 mm/U.

Ein weiteres Projekt aus dem Fahrzeug- und Motorenbau stellt der Zylinderkopf dar, bei dem Ventilsitze und ¿ führungsgrundbohrungen mit höchsten Anforderungen an die Konzentrizität bearbeitet werden mussten. Deren Toleranz von 10 (m ließ sich nur durch ein Zwei-Stufen-Werkzeug mit speziell ausgelegter Schneidengeometrie der Reibahle von 12,5 mm Durchmesser sowie einer zweiten Stufe mit 35 mm erfolgreich einhalten). Der erreichbare Standweg beträgt beispielsweise 40 000 Bohrungen à 40 mm, also rund 1,6 km. Mit einem Vorschub von 0,4 mm/U ergaben sich für den Kunden Fertigungszeiten von einer Sekunde pro Bohrung.

Wie die Oberflächenqualität variiert werden kann, zeigt das Sortiment der Standard-Planfräser. Diese arbeiten beim Fräsen eines Zylinderkopfs aus AlSi9Cu3 mit einer Oberflächengüte zwischen 5 und 25 mm, erreicht durch eine Vorschubvarianz von 10 bis 64 m/min. PKD-Schneiden erlauben hierbei ein vollständiges Ausschöpfen des beachtlichen Leistungspotenzials modernster Hochleistungs-Bearbeitungszenter. Dabei können die standardmäßig genutzten Werkzeugaufnahmen berücksichtigt werden.

Da mit gelöteten polykristallinen Diamant-Werkzeugen schwingungsfreies Fräsen bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten möglich ist, konnte das Ölpumpengehäuse mit der erforderlichen Maßhaltigkeit und Oberflächengüte bearbeitet werden. Der 30-Millimeter-Schaftfräser diente einerseits für das Planfräsen der Dichtungsfläche, andererseits für das Zirkularfräsen des Innenvolumens mit Grundfläche. In 1,16 Sekunden war die Bearbeitung abgeschlossen.

Ein Zirkularfräser mit speziell geformten PKD-Schneiden war für die Fertigung eines Bremssattels die wirtschaftliche Lösung. Nuten für Dichtungsringe und einzelne Fasen wurden auf einem mehrspindligen Bearbeitungszenter ausgeführt. Aufgrund der in einem Werkzeug zusammengefassten Arbeitsschritte konnte gegenüber der früheren Lösung eine erhebliche Zeiteinsparung realisiert werden.

Unser Haus bietet dann auch Lösungen, wenn konventionelle Bearbeitungsverfahren nicht mehr die gewünschten Resultate bringen. Im Falle eines Getriebedeckels aus Aluminium-Druckguss, der auf einer Transferlinie gefertigt wird, mussten zwei Bohrungen von 58 und 62 mm Durchmesser mit stark unterbrochenem Schnitt auf den Oberflächenqualitätswert N6 gerieben werden. Das speziell entwickelte sechsschneidige Werkzeug mit aufgelöteten PKD-Schneiden brachte die Oberflächengüte von Ra 0,3 mm, und dies bei S = 110 m/min. Alle 2,3 Sekunden kann seither eine Bohrung für die spätere Aufnahme eines Kugellagers fertiggestellt werden.

Ein weiteres Beispiel, bei welchem ein Sonderwerkzeug den produktionstechnischen Durchbruch schaffte, ist das Planbearbeiten von Lagerbügeln aus einer Aluminiumlegierung mit deutlich über 10 Prozent Silizium-Gehalt. Auf einer Rundtaktmaschine wurden jeweils zwei Bügel korrespondierend aufgespannt und mit einem PKD-bestückten Fräser von 125 Millimetern Durchmesser bearbeitet.

Das nötige Plus

Mit dem Ziel, die technischen Anforderungen optimal zu erfüllen und gleichzeitig den wirtschaftlichen Rahmenbedingungen zu entsprechen, lassen sich PKD-bestückte Werkzeuge beim Reiben und Fräsen erfolgreich für das Feinbearbeiten von Druckgussteilen aus Aluminiumlegierungen einsetzen. Die Vorzüge dieses Schneidstoffes sind offensichtlich, deren Anwendung erfordert jedoch ein umfassendes technologisches Know-how und internationale Erfahrungen mit solchen Werkstücken. Dank langjähriger Tätigkeit in diesem Bereich der zerspanenden Bearbeitung und einem weltweiten Servicenetz der gesamten Komet-Gruppe kommt die Leistungsfähigkeit der anwenderorientierten Dihart-Werkzeuge voll zum Tragen. ¿First part ¿ good part!¿ ¿ mit diesem Motto haben wir Erfolg und nehmen die künftigen Herausforderungen für weitere Produktivitätssteigerungen zielorientiert an.

Links: http://www.dihart.ch