Schrumpftechnik

Bohrungen im spitzen Winkel

Für das Ölfeld-Service-Unternehmen Baker Hughes INTEQ brachte die Schrumpftechnik von Haimer die Lösung eines Fertigungsproblems: Mit ihr lassen sich extrem lange Werkzeuge, teils mit mehreren Verlängerungen, konfigurieren, die Bohrungen in sehr spitzen Winkeln ermöglichen und extrem hohe Rundlaufgenauigkeit bieten. Auch die kurze Schrumpfzeit der mittlerweile drei Power Clamp NG-Schrumpfmaschinen ist für das Unternehmen in Celle bei bis zu 80 Schrumpfvorgängen pro Tag ein wichtiger Vorteil.

Weit mehr als 100 Werkzeuge, teilweise mit Längen von mehr als 1.400 mm, setzt Baker Hughes für die Fertigung von Untertagemessgeräten ein. 50 Prozent davon sind in Haimer Aufnahmen eingeschrumpft.

Gemessen an den Dimensionen des kompletten Bohrgestänges liefert die Baker Hughes Inteq GmbH zwar nur ein kleines Element - aber dieses besitzt zentrale Bedeutung für den Erfolg von Bohrungen nach Erdöl oder Erdgas: In den bis zu zehn Kilometer langen Bohrsträngen sitzen die vier bis knapp sechs Meter langen Baker Hughes Inteq-Systeme unmittelbar hinter dem Bohrmeißel. Obwohl sie nur der Messung der Umgebungsbedingungen vor Ort und Steuerung des Bohrkopfes dienen, müssen die Elemente mit 130 bis 250 mm Durchmesser die kompletten Bohrkräfte aufnehmen und weiterleiten. Aushalten müssen sie zudem hydrostatische Drücke bis 2500 bar, Temperaturen bis 150 Grad Celsius und Vibrationen bis zum 50-fachen der Erdbeschleunigung, und dies in einer chemisch sehr aggressiven Umgebung.

Schrumpfsysteme ermöglichen extrem lange Werkzeuge

Bei der Fertigung ihrer Komponenten setzen die CNC-Experten von Baker Hughes Werkzeugaufnahmen und Verlängerungen mit der Schrumpftechnik von Haimer ein. Als sie 2001 das erste Schrumpfgerät des Unternehmens aus Igenhausen anschafften, gab es zu diesem Schritt keine Alternative auf dem Markt. "Damals konnte nur Haimer unsere Forderung nach extrem langen Werkzeugen realisieren", erinnert sich Eike Schaper, Teamleiter NC-Programmierung. Denn mit der Zeit ist die Bearbeitung immer anspruchsvoller geworden, insbesondere musste unter immer spitzeren Winkeln zum Bauteilgebohrt werden. Damit dabei die Spindel nicht mit dem Werkstück kollidiert, sind sehr lange Werkzeuge, oft auch mit verlängerten Werkzeugaufnahmen unabdingbar. Die Werkzeuglängen erreichen teilweise mehr als 1400 mm.

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Beim Hochleistungsschrumpfgerät Power Clamp Profi Plus, das Baker Hughes 2001 kaufte, bietet der Turm mit der Spule zur induktiven Erwärmung schon in der Standardversion relativ viel Höhenfreiheit. Um aber auch die extrem langen Werkzeuge ein- und ausschrumpfen zu können, erhielt der Turm zusätzlich ein Gelenk und kann nun um 180 Grad gedreht werden. Danach befindet sich die Induktionsspule nicht mehr über der Grundplatte des Geräts, sondern über dem Hallenboden. Die Werkzeugaufnahme wird dann auf einer Plattform platziert, die seitlich an dem Tisch montiert ist, auf dem sich das Schrumpfgerät befindet.

Rundlaufgenauigkeit im Bereich von 3 µm

"Durch die Gerätebauart können wir sehr lange, geschrumpfte Werkzeuge sicher konfigurieren", erläutert Andreas Landmann, der bei Baker Hughes in der NC Programmierung unter anderem für die Schrumpftechnik verantwortlich ist. Zudem erfüllt die hohe Spannkraft in Verbindung mit der großen Rundlaufgenauigkeit die hohen Toleranzanforderungen und mindert den Verschleiß der Bohr- und Fräswerkzeuge.

Bei einem Werkzeugdurchmesser von 20 mm garantiert Haimer zum Beispiel ein Haltemoment von 450 bis 800 Nm. Erreicht wird eine Rundlaufgenauigkeit wie mit keinem anderen Werkzeugspannverfahren. Sie resultiert aus dem rotationssymmetrischen Spannkörper, der ohne zusätzliche Elemente wie Zangen und Spannschrauben auskommt. Er wird erhitzt und dehnt sich aus. Dadurch wächst auch der Durchmesser der mittigen Bohrung minimal und das Werkzeug kann eingeführt werden. Beim Abkühlen zieht sich die Aufnahme um den Werkzeugschaft zusammen. Haimer spricht von einer erreichbaren Rundlaufgenauigkeit, die unter 3 µm liegt (gemessen bei einer Auskraglänge von 3 x Schaftdurchmesser).

"Bei den konkurrierenden Spannsystemen, gegen die sich die Haimer-Schrumpftechnik durchsetzte, waren entweder die Spannkräfte und die maximal realisierbare Länge zu gering oder sie bauten so groß, dass die geforderten Bohrungen in spitzen Winkeln nicht möglich gewesen wären", erläutert Schaper.

Dass Baker Hughes seit 2001 auf Haimer vertraut, hat wesentlich mit der leistungsfähigen Haimer Spulentechnik New Generation (NG) zu tun, die für ein hohes Tempo beim Ein- und Ausschrumpfen sowie absolut zielgerichtete Energieeinleitung sorgt. Die Basis bildet eine verstellbare Spule, die sich in Länge und Durchmesser dem Futter anpasst. Dadurch erwärmt sich ausschließlich der Spannbereich des Futters, was unter anderem die Schrumpf- und Abkühlzeiten deutlich verkürzt.

Die NG-Induktionsspule sorgt dafür, dass die Wärme sehr schnell in die Werkzeugaufnahme eindringt. Das ist besonders beim Ausschrumpfen wichtig, wenn Werkzeug und Werkzeugaufnahme aus Materialen mit gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen. So dehnt sich das Futter aus, während das Werkzeug noch relativ kühl ist, und die Spannung löst sich. Das Werkzeug kann entnommen werden. Bei langsamer Erwärmung würden sich beide ähnlich ausdehnen - und das Werkzeug ließe sich nicht entnehmen.

Pluspunkte sammelte Haimer auch durch die Flexibilität der NG-Induktionsspulen. "Wir haben damals alle Hersteller gefragt: Wie geht euer System mit abgebrochenen Werkzeugen um?", berichtet Andreas Landmann. Die Haimer-Lösung überzeugte ihn. Denn weil die Induktionsspule nur durch ein Kabel mit dem Schrumpfgerät verbunden ist, kann man sie problemlos auch über eine im Schraubstock horizontal fixierte Werkzeugaufnahme schieben. Während diese dort erhitzt wird, kann ein Mitarbeiter von der Unterseite her das abgebrochene Werkzeug aus der Aufnahme heraustreiben.

Standardmäßig gibt es natürlich auch bei Haimer die passende Ausschrumpfvorrichtung, so dass selbst bei Werkzeugbruch ohne Verzögerung das Werkzeug gewechselt werden kann.

Wasserkühlung lässt Werkzeuge schnell erkalten

Wichtig ist für Baker Hughes eine sehr schnelle Abkühlung nach dem Schrumpfvorgang, die Haimer per Kontaktkühlung gewährleistet. Passgenaue Kühlkörper für unterschiedlich große Außendurchmesser sorgen dafür, dass eine möglichst große Kontaktfläche entsteht und die Kontaktkühlung über einen Kreislauf die Wärme schnell abtransportiert. So kann die Werkzeugaufnahme je nach Werkzeugdurchmesser schon nach 30 bis 45 Sekunden entnommen und wieder eingesetzt werden. "Bei Systemen mit Gebläselüfter kann das Abkühlen zehn oder 15 Minuten dauern", betont Landmann. Bei 60 bis 80 Schrumpfvorgängen pro Tag schlagen solche Unterschiede erheblich zu Buche. Und wenn ein Werkzeug, wie es bei Baker Hughes durchaus vorkommt, aus einer Aufnahme und zwei Verlängerungen besteht, sind drei Erwärmungs- und Abkühlvorgänge erforderlich - der Zeitvorteil verdreifacht sich.

Die hohe Zahl der Werkzeugwechsel wird zum einen durch die hochwarmfesten Chrom-Nickel-Stähle verursacht, aus denen die Körper der Untertagemesswerkzeuge bestehen. Nur solche Stähle, die auch für Flugzeugtriebwerke und Gasturbinen zum Einsatz kommen, ertragen die hohen Belastungen an der Spitze des Bohrgestänges. Entsprechend stark beansprucht werden die Werkzeuge bei der Bearbeitung: Nach zwölf bis 14 Gewinden sind beispielsweise die Vollhartmetall-Gewindeformer verschlissen. Zudem werden während der 120 Stunden dauernden Bearbeitung eines vier Meter langen Messwerkzeugs 145 Bohr- und Fräswerkzeuge eingesetzt.

Zuverlässig und einfach zu bedienen

So fand Baker Hughes über das Bohren zu der auch stark im Fräsbereich eingesetzten Schrumpftechnik. Mittlerweile wird sie aber bei dem Unternehmen auch für Fräswerkzeuge verwendet. Insgesamt sitzt inzwischen fast die Hälfte aller zerspanenden Werkzeuge in Schrumpfaufnahmen. 2005 und 2012 kaufte Baker Hughes ein zweites und ein drittes Schrumpfgerät von Haimer. Das stärkste mit 20 kW Leistung kommt im Tool Shop zum Einsatz. Dort werden alle Werkzeuge entsprechend den Vorgaben in der digitalen Werkzeugverwaltung montiert und voreingestellt. Danach wird ein kompletter Werkzeugsatz für die jeweilige CNC-Maschine übergeben. Andreas Landmann erläutert: "Der Fokus des Bedieners soll allein auf der optimalen Bearbeitung des Werkstücks liegen. Das Werkzeug darf ihn nicht davon ablenken. Deswegen muss es optimal konfiguriert und ausgeführt sein."

Eine 13-kW-Anlage vom Typ Power Clamp Preset NG steht frei zugänglich in der Halle mit den CNC-Maschinen. Denn die Maschinenbediener müssen rund um die Uhr in der Lage sein, verschlissene oder abgebrochene Werkzeuge auch dann sofort auszutauschen, wenn der Tool Shop nicht besetzt ist. Zudem sichert man sich so für den Fall ab, dass das Gerät im Tool-Shop einmal ausfallen könnte. Ein weiteres, ebenfalls 13 kW starkes Power Clamp Preset NG hat Baker Hughes bei einem externen Zulieferer platziert.

Eike Schaper resümiert: "Haimer bietet mit diesen Schrumpfgeräten ein einfach zu handhabendes System. Somit können auch die Bediener in der Spät- und Nachtschicht bei Werkzeugbruch selber schnell für Ersatz sorgen. Das System ist sehr zuverlässig, und die Komponenten sind schnell verfügbar, denn Haimer bietet als einziger Hersteller ja beides, das Gerät und die Aufnahmen, als System komplett aus einer Hand an."

Wichtige Informationen aus der Tiefe

Bei Untertagemessgeräten für sehr anspruchsvolle Bohrsituationen, beispielsweise in der Tiefsee, ist Baker Hughes INTEQ, Celle, einer der Weltmarktführer. Im niedersächsischen Celle arbeiten etwa 700 Mitarbeiter in der Fertigung und 800 in Forschung und Entwicklung. Die Systeme des Unternehmens befinden sich unmittelbar hinter dem Bohrkopf, liefern Informationen über die konkreten Bedingungen vor Ort und steuern auch den Bohrkopf. Gestützt auf die Daten aus der Tiefe können Experten, die das Unternehmen zusammen mit seinen Messwerkzeugen an die Ölfirmen "verleiht", den Förderunternehmen während der Bohrung Empfehlungen für die optimale Bohrgeschwindigkeit und Korrekturen am Bohrverlauf geben. Baker Hughes Inteq ist ein Tochterunternehmen des US-amerikanischen Ölfeld-Serviceunternehmens Baker Hughes Inc., Houston, das in mehr als 80 Ländern über 58.000 Mitarbeiter beschäftigt und 2012 rund 21,4 Milliarden Dollar Umsatz erzielte. kf

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