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Artikel und Hintergründe zum Thema

Zerspanen

Der Charme des trockenen Schnitts

Langsamer zu fahren, wenn es ein Problem gibt, ist genau der falsche Weg bei der Trockenbearbeitung, einem neuen Verfahren zum Verzahnungsfräsen. Die Erfahrung und Zusammenarbeit von Sandvik Coromant und Klingelnberg, einem der führenden Unternehmen im Bereich Zahnradbearbeitungsmaschinen, hat hierbei ergeben, dass Wendeschneidplatten gegenüber HSS-Werkzeugen große Vorteile bringen.

Ölfreie Zone: Die Herausforderung bei der Trockenbearbeitung liegt in der Späneabfuhr. Hohe Drehzahlen und das Zusammenspiel zwischen Werkzeug und Maschine verhindern eine mögliche Beschädigung beispielsweise des Zahnfußradiusses. (Bild Sandvik Coromant)

“Change is the law of life. And those who look only to the past or present are certain to miss the future.” John F. Kennedy hat diese Aussage vor 50 Jahren wahrscheinlich nicht so sehr mit Blick auf die Technik getroffen – doch hier trifft sie besonders zu: Ob Luft- und Raumfahrt, Computer, Telefon und Internet, Lebensmittelindustrie, Medizin- oder Produktionstechnik, in fast allen technischen Feldern haben seither enorme Veränderungen stattgefunden.

Doch in einem Bereich des Fräsens schien jahrelang die Entwicklung stillzustehen: Beim Verzahnungsfräsen dominieren wie vor 50 Jahren die HSS-Werkzeuge und die Naßbearbeitung die Prozesse.

Zwar nimmt der Bedarf an Zahnrädern ständig zu - sei es bei Windkraftanlagen, mobilen Arbeitsgeräten, Verstellmotoren im Auto oder E-Bikes - wo ein An- oder Abtrieb ist, ist ein Zahnrad nicht weit. "Doch als wir uns vor einigen Jahren den Markt näher ansahen, waren wir sehr überrascht, dass es bei den Verzahnungswerkzeugen in den letzten Jahren so wenig Innovationen gab", schildert Kenneth Sundberg, der bei Sandvik Coromant den Bereich Verzahnungsfräsen weltweit leitet. "Das haben wir als eine große Marktchance gesehen."

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2009 traf Sandvik Coromant die Entscheidung, das Kerngeschäft auszuweiten und wählte das Verzahnungsfräsen als Pilotprojekt. Und Sundberg bekam die Aufgabe, innerhalb von fünf Jahren eine Markt führende Stellung in diesem Bereich zu erreichen. Dafür hat der Weltmarktführer für Werkzeuge unter Einsatz erheblicher finanzieller Mittel ein globales Team mit heute rund 400 Mitarbeitern und eine eigene F&E-Abteilung aufgebaut. „Die Werkzeugmaschinen werden immer besser, flexibler und produktiver“, so Sundberg. Doch bei den Werkzeugen dominieren noch immer mit mehr als 80 Prozent der Schnellarbeitsstahl (High Speed Steel: HSS) den Verzahnungsbereich. „Meine Entscheidung war, nur mit Wendeschneidplatten in den Markt zu gehen. Kein HSS und kein Vollhartmetall“, erinnert sich Kenneth Sundberg. „Manche hielten das für verrückt.“ Doch der Aufwand und die Kosten für HSS-Werkzeuge würden oft unterschätzt, so Sundbergs Erfahrung: „Die Kunden haben teilweise riesige Lager mit HSS-Werkzeugen, die bis zu zwanzig Mal weggeschickt werden fürs Nachschleifen und Beschichten – schon diese Logistik ist eine Herausforderung. Vor allem aber bieten Wendeschneidplatten erhebliche Kosten- und Produktivitätsvorteile.“

Sicheres Zusammenspiel

Sundberg und sein Team arbeiten gemeinsam mit Partnern intensiv daran, dass Wendeschneid-Platten auch beim Verzahnfräsen den Markt zukünftig dominieren, so wie es bereits beim Fräsen und Bohren der Fall ist. „Wir wussten von Anfang an, dass wir hier eng mit Projektpartnern zusammenarbeiten müssen. In der Firma Klingelnberg haben wir zum Beispiel einen sehr guten Partner gefunden. Am Anfang war das nicht immer einfach, aber heute haben wir gemeinsam viele Projekte erfolgreich abgewickelt.“

Die Klingelnberg GmbH - Anwendern von Zahnradbearbeitungsmaschinen besser bekannt als Höfler Maschinenbau - mit Sitz in Ettlingen beschäftigt über 300 Mitarbeiter und ist mit über 1.600 ausgelieferten Maschinen Marktführer in dem genannten Segment. "Wir verfügen über umfassende Erfahrungen im Verzahnungsschleifen und in der Verzahnungsherstellung", erklärt Dieter Grosch, Manager Machining Technology bei Klingelnberg. "So konnten wir unsere Maschinen bereits frühzeitig für künftige Anforderungen an Bearbeitungsprozesse, Schneidstoffe und die Möglichkeit der Trockenbearbeitung auslegen. Unsere Partnerschaft mit Sandvik Coromant hat dieser Entwicklung wichtige Impulse gegeben. Die gemeinsamen Projekte zeigen, welches Potenzial in heutigen Maschinen, Prozessen und Werkzeugen steckt, und welche Optimierungen und Vorteile durch den Einsatz neuer Werkzeugmaschinen in Verbindung mit neuen Tools möglich sind und zukünftig noch möglich sein werden."

Durch die Zusammenarbeit erhielt Sandvik Coromant bei der Entwicklung der neuen Wendeschneidplatten-Werkzeuge wichtige Anregungen. So ist beispielsweise bei der Zerspanung von Materialien, die härter sind als 300 HB, die mögliche Schnittgeschwindigkeit von Werkzeugen mit Hartmetallschneidplatten normalerweise fünfmal höher als bei herkömmlichen HSS-Werkzeugen. Zudem zählen beim Verzahnungsfräsen die Plattengeometrie und die Plattenherstellung zu wichtigen Erfolgsfaktoren von Wendeschneidplatten. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, kommt es nicht nur auf die Schneidplattensorte an, sondern auch auf die Geometrie und Ausführung der Schneidkanten. Dabei beeinflusst die richtige Mikrogeometrie in Form von Fasen und Kantenverrundungen die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit der Schneidkante entscheidend. Das hat direkten Einfluss auf die Schnittdaten-Potenziale, die Sicherheit und die Qualität. Eine optimale Schneidplattengeometrie sorgt für eine gute Spanformung, die wiederum für die Abfuhr und die Handhabung wichtig ist.

Ergebnis der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten sind die Verzahnungsfräser Coro Mill 170, Coro Mill 176 und Coro Mill 177. Sundberg: "Mit ihnen treiben wir den Technologiewandel von HSS- zu Wendeschneidplatten-Werkzeugen weiter voran." Wie etwa bei der Zahnradwerk Pritzwalk GmbH, einem der größten Hersteller von zylindrischen Zahnrädern und Ritzelwellen sowie von elastischen Kupplungen und Balligzahnkupplungen in Europa. Das Unternehmen nutzt neben HSS-Werkzeugen zwar bereits seit Jahren auch Wendeschneidplatten in der Fertigung, doch bis vor kurzem nur in der Naßbearbeitung.

„Letztes Jahr standen wir dann vor der Aufgabe, in eine neue Fräsmaschine zu investieren“, erläutert der Technischer Leiter Bernd Kontak, „und die Frage war, wo gehen wir hin.“ Die Geschäftsführung entschied sich dabei auf Anraten von Zahnradbearbeitungsmaschinen-Hersteller Klingelnberg für die Trockenbearbeitung. „Ich war anfangs etwas skeptisch“, räumt Kontak ein, „aber wir haben uns auf die Erfahrungen der Spezialisten aus Ettlingen verlassen und uns dann auch mit Sandvik in Verbindung gesetzt, die uns als Werkzeug den Coromill 176 empfohlen haben. Und damit haben wir wirklich erstaunliche Ergebnisse festgestellt. Gegenüber dem Nassverfahren, mit dem wir bis dahin sehr zufrieden waren, konnten wir die Bearbeitungszeiten von 70 Minuten um 44 Minuten reduzieren.“ Doch der entscheidendere Vorteil war die erhebliche Verlängerung der Standzeiten. „Wenn wir vorher mit einem Wendeplattenfräser vom Wettbewerber zwölf Teile produzieren konnten”, erläutert Bernd Kontak, “so konnten wir mit dem Coro Mill 176 letztendlich 36 Teile mit einer Schneide bearbeiten. Das ist ein riesiger Sprung. Zudem ist der Wegfall der Schmierung auch unter Umwelt- und Kostengesichtspunkten ein großer Vorteil.“

Entscheidend bei der Trockenbearbeitung ist dabei neben dem Werkzeug auch die Maschinenkonzeption. Dieter Grosch von Höfler – pardon Klingelnberg: „Unsere Maschinen sind vom Konzept her für die Trockenbearbeitung optimal ausgelegt. Dabei ist die Späneabfuhr wichtig, die müssen schnell aus der Maschine heraus, sonst hat man Spänenester und damit Qualitätsprobleme. Aber mit der richtigen Maschine und dem richtigen Werkzeug funktioniert das problemlos. Dann bekommt man die besten Ergebnisse: die Standzeiten und die Produktivität steigen und - dank dem Wegfall des Öls - sinken überdies die Entsorgungskosten.“

Doch die Umstellung erfordert von den Verantwortlichen und Werkern in der Produktion auch ein Umdenken. Denn für Anwender, die jahrelang nur mit Naßbearbeitung gearbeitet haben, ist es eine hohe Hemmschwelle, ein Werkzeug ohne Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit in den Stahl fahren zu lassen. Grosch: „Häufig wird dann erst einmal sehr vorsichtig gefahren. Dann hat man einen sehr hohen Verschleiß, und der Maschinenbediener geht noch weiter runter mit den Drehzahlen. Und das ist genau das Falsche. Da muss man oft erst noch Überzeugungsarbeit leisten. Wir haben deshalb den Start in Pritzwalk persönlich begleitet, sind mit den Parametern gleich hoch und konnten von der Produktivität und der Standzeit von Anfang an überzeugen.“

Service inklusive

Und Bernd Kontak bestätigt: „Die Werker neigen natürlich zuerst dazu, wenn es ein Problem gibt oder der Span verschweißt, dann erst mal langsamer zu fahren. Aber es ist tatsächlich so, dass dieser Weg genau der falsche ist. Damit erzeugt man noch mehr Verschleiß und hat am Ende ein schlechteres Ergebnis als beim Nassfräsen. Denn die Herausforderung bei der Trockenbearbeitung ist die Späneabfuhr. Wenn man die nicht wegbekommt und mit durchzieht, beschädigen sie zum Beispiel den Zahnfussradius. Mit der Kühlung bringt man die Späne ja problemlos weg – aber bei der Trockenbearbeitung fragt man sich erst einmal, wie soll das da gehen? Doch wenn Maschine und Werkzeug dafür ausgelegt sind, funktioniert das wunderbar.“

Und auch Kenneth Sundberg kennt das Problem: „Das ist eine Erfahrung, die wir bei Kunden immer wieder machten. Da werden Hochleistungsmaschinen und Hochleistungswerkzeuge eingesetzt, doch die Bearbeitungsstrategie der Werker entspricht noch dem klassischen Kenntnisstand.“ Doch der Schwede sieht auch die Werkzeughersteller dabei in der Pflicht: „Die Anwender machen mit den HSS-Werkzeugen einen tollen Job, holen da das letzte raus und dann kommt so ein neues Werkzeug, das man nicht kennt, und das kostet dann auch noch ein Mehrfaches – da sind wir als Werkzeughersteller und die Maschinenhersteller gefordert, die Anwender zu beraten und zu unterstützen.“ Deshalb führt Sandvik Coromant mit den Kunden auch oft Performance-Tests durch, damit sie an Hand eines eigenen Werkstückes ein Gefühl für Wendeschneidplatten und Trockenbearbeitung erhalten. Kenneth Sundberg: „Von den Vorteilen theoretisch zu hören ist das eine – aber die Performance mit eigenen Augen zu erleben, das überzeugt jeden Skeptiker.“ hs

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