Hochglanzoberflächen. - Bild: Horn/Sauermann

Die Erzeugung von Hochglanzoberflächen erfordert präzise MKD-Werkzeuge. - Bild: Horn/Sauermann

Beispiel 1: Fräsen statt Erodieren bei Pressstempeln

Im Jahr 1970 gegründet entwickelte sich die Firma Gerhard Rauch stetig weiter. Seit vielen Jahren hat sich der Betrieb unter anderem im Bereich der Verpackungsindustrie einen Namen gemacht. Er produziert Folienstanzwerkzeuge und die dazugehörigen Stanzmaschinen. 80 Mitarbeiter arbeiten heute an zwei Standorten in insgesamt drei Bereichen: Stanzwerkzeuge und -maschinen, Lohnfertigung und Prototypenbau. Die Kunden kommen aus den Branchen Lebensmittel, Elektronik, Luft- und Raumfahrt und der Formel 1.

Als Bearbeitungsbeispiel dient ein Pressstempel aus der Boehlerit-Hartmetallsorte MB30. Hierbei wird vor allem das Erodieren durch Fräsen ersetzt. Der Stempel entsteht durch fünf hochpräzise Bearbeitungen:

Das Vordefinieren der Fertigkontur erfolgt mit einem Fräser, der mit 15 CVD-Schneiden bestückt ist. Hier ist die Vorgabe bezüglich Oberflächengüte Ra 0,2 Mikrometer.

Bearbeitungsschritt zwei ist das Bohren des Zentrumslochs. Zum Einsatz kommt ein torischer Schaftfräser mit zwei Schneiden und einem Durchmesser von fünf Millimeter. Gebohrt wird ins Volle und in eine Tiefe von fünf Millimeter.

Im dritten Schritt erfolgt das Plan- und Konturfräsen. Die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der CVD Fräser ins Material geht, liegt bei 750 mm/min bei einer Spantiefe 0,15 Millimeter und drei Millimeter Spanbreite. Die erreichte Oberflächengüte liegt hier bei Ra 0,12 Mikrometer.

Pressstempel aus der Hartmetallsorte MB 30. - Bild: Horn/Sauermann
Der Pressstempel aus der Hartmetallsorte MB 30 entsteht durch fünf hochpräzise Bearbeitungen mit CVD-D-Präzisionswerkzeugen. - Bild: Horn/Sauermann

Bei der Bearbeitung der Mantelfläche setzen die Firmen Rauch und Horn ebenfalls auf einen torischen Schaftfräser. Hier mit einem Durchmesser von sechs Millimeter. Das Werkzeug arbeitet mit zwei Schneiden. Der finale Arbeitsgang ist Kopierfräsen. Dies geschieht mit einem Kugelfräser mit zwei Millimeter Durchmesser und zwei Schneiden. Dieser fräst auf der Mantelfläche konturgetreu ins Volle. Die Bearbeitung erfolgt komplett auf einer Hermle in einer Aufspannung.

Bisher erfolgte die Fertigung des Pressstempels mittels Elektrodenherstellung, Erodieren, Schleifen und Polieren. Mit der Zerspanung durch CVD-D-Werkzeuge ist nun eine Fertigbearbeitung in 12,5 Minuten möglich. Vorher dauerte die Bearbeitung durch Erodieren, Schleifen und Polieren mehr als zwei Stunden – inklusive Elektrodenherstellung bis zu acht Stunden.

Wichtig ist das Zusammenspiel von Maschine, Werkzeug, CAM und Werkstoff – man muss dabei den gesamten Prozess betrachten, um zum Erfolg zu kommen.

CVD-D-Schneiden von Horn. - Bild: Horn/Sauermann
Durch die CVD-D-Schneiden von Horn eröffnen sich neue Möglichkeiten in der Hartmetallbearbeitung. - Bild: Horn/Sauermann

Beispiel 2: Spiegelglanz auf Demo-Werkstück

Die Sinuskurve ist ein bekannter Begriff aus der Mathematik und Physik. Sie ist zweidimensional dargestellt auf einem Blatt Papier oder in bewegenden Wellen auf einem elektronischen Messgerät. Eine Sinuskurve dreidimensional aus dem Vollen zu fräsen ist mit heutiger CAD-CAM-Technik keine große Herausforderung für erfahrene Anwender. Aber um die Oberfläche so zu schlichten, dass man sich darin spiegeln kann, bedarf es einiges mehr.

So holten sich die Anwendungstechniker von DMG Mori die Unterstützung von Horn, als sie die Idee hatten, eine Hochglanz-Sinuskurve als Demo-Werkstück zu fertigen. Die Anforderungen hatten dabei den Fokus vor allem auf die Oberflächengüte mit thermischer Langzeitgenauigkeit und das Aufzeigen des Maschinen- und Kühlkonzepts.

Beim Schlichten kamen drei mit monokristallinen Diamanten (MKD) bestückte Werkzeuge zum Einsatz: für die Planflächen ein Planfräser und für die Flanken ein Umfangsfräser. Beide Werkzeuge mit zwölf Millimeter Durchmesser. Bei den konvexen Flächen kam ein Kugelfräser mit zehn Millimeter Durchmesser zum Einsatz.

Aufgrund der hohen Präzisionsanforderung an den Rund- und Planlauf sind alle Werkzeuge zur Hochglanzzerspanung einschneidig ausgelegt. Um Oberflächengüten kleiner Rz 0,1 zu erzeugen, spielt die Qualität der Werkzeugschneidkante die entscheidende Rolle. Diese sind von Hand poliert und unter 200-facher Vergrößerung absolut schartenfrei.

Außer den MKD-Werkzeugen muss auch die eingesetzte Maschine den hohen Anforderungen an Präzision, Wärmegang und Qualität der Spindel gewachsen sein.

Hohe Präzision für die Hochglanzzerspanung. - Bild: Horn/Sauermann
Durch die thermosymmetrische Bauweise gewährleistet die Maschine eine hohe Präzision für die Hochglanzzerspanung. - Bild: Horn/Sauermann

Die Wahl der DMG-Mori-Anwendungstechniker fiel auf eine Maschine der HSC-Baureihe. Durch die thermosymmetrische Portalbauweise mit einem aktiven Kühlkonzept gewährleistet diese Maschine die nötige Präzision, bei einem sehr geringen Wärmegang.

Des Weiteren ist die Spindel mit einer Wellenkühlung ausgestattet, was eine um 70 Prozent geringere Ausdehnung des Werkzeugs bedeutet. Entwickelt für den Werkzeug- und Formenbau, erfüllt die Maschine die hohen Anforderungen der Hochglanzzerspanung.

Die Strategie zur Schlichtbearbeitung gestaltet sich wie folgt: Die Sinuskurve aus Aluminium mit den Maßen 500 x 220 x 120 Millimeter wird nach dem Schruppen mit einem äquidistanten Aufmaß von 0,05 Millimeter vorgeschlichtet. Die Finish-Bearbeitung mit MKD-Werkzeugen startet mit den konkaven Radien, bei einer Bearbeitungszeit von rund sechs Stunden. Hierbei zeilte das Werkzeug die Kontur in zwei Achsen ab. Danach folgten die Planflächen mit 46 Minuten sowie die Flanken mit 33 Minuten. Die Gesamtzeit von rund 7,5 Stunden klingt lang, aber die mit MKD-Werkzeugen erzeugten Oberflächen verlangen kein Nachpolieren.

Philipp Dahlhaus. - Bild: Horn/Sauermann
Philipp Dahlhaus, Leiter Produktmanagement von Paul Horn. - Bild: Horn/Sauermann

Philipp Dahlhaus, Leiter Produktmanagement von Paul Horn, ergänzt: „Das Anwendungsspektrum des Hochglanzfräsens ist groß. Besonders im Werkzeug- und Formenbau spart das Verfahren Polierarbeiten ein und erhöht gleichzeitig die Qualität in Ebenheit und Oberflächengüte. So kommt das Verfahren dort zum Einsatz, wo sich die Oberfläche der Form in den zu fertigenden Teilen widerspiegelt. Dazu gehören zum Beispiel PET Blasformen oder Schokoladen-Gussformen. Neben dem Hochglanzfräsen bietet Horn in seinem Portfolio auch Lösungen zum Hochglanzdrehen mit MKD-Werkzeugen.“

Beispiel 3: Oberfläche von Tiefziehwerkzeugen für Acrylglas

Ein weiterer Kunde der das Know-how von Horn im Werkzeug- und Formenbau nutzt, ist ein Hersteller von Tiefziehwerkzeugen für Acrylglas. Er hatte bei der Herstellung von Formeinsätzen Standzeit- und Oberflächenprobleme. Das Problem: Die anspruchsvolle Oberfläche seiner Tiefziehwerkzeuge aus dem Werkstoff 42CrMoV4, vergütet auf 1.200 N/mm², war oft größer als die flächenmäßige Zerspanungsleistung seiner eingesetzten Werkzeuge.

Bei der Bearbeitung des hochfesten Werkstoffs zeigte sich vorzeitiger Schneidenverschleiß an seinen Schaftfräsern. Aufschmierungen an der Schneide führten zu Ausbrüchen an der Schneidkante, mangelhafte Spankontrolle und Wärmeeintrag in den Fräser hatten Schichtabplatzungen zur Folge. Die Fräser versagten vorzeitig und unkontrolliert. Es war keine Prozesssicherheit gegeben. Drei unterschiedliche Schaftfräser reichten für die komplette Bearbeitung der Kontur vom Schruppen bis zum Schlichten mit hoher Oberflächengüte.

Ein Schaftfräser mit zwölf Millimeter Durchmesser umsäumte das Werkstück, ein Hochvorschub-Schaftfräser im Durchmesser acht Millimeter schruppte die Tiefziehkontur und mit einem Kugelkopffräser mit sechs Millimeter Durchmesser wurden die fertigteilrelevanten Oberflächen in hoher Oberflächengüte geschlichtet.

Hochvorschub-Schaftfräser DSH. - Bild: Horn/Sauermann
Schruppen der Tiefziehkontur mit dem Hochvorschub-Schaftfräser DSH mit optimierter Spanraumgeometrie. - Bild: Horn/Sauermann

In der ersten Operation, dem Besäumen, schruppte der 4-schneidige Fräser DP mit der vollen Schneidenlänge von 25 Millimeter die Werkstückkontur. Die Parameter wie Drehzahl 4.500 U/min, Vorschubgeschwindigkeit 1.247 mm/min, Zahnvorschub 0,07 Millimeter und Zustellung von einem Millimeter konnten wie auch die Parameter der anderen Fräser unverändert übernommen werden.

Die Luftkühlung durch das Hydrodehnspannfutter kühlte dabei Schneiden und Werkstück und entfernte die Späne aus dem Zerspanungsbereich. Nach einem Gesamt-Bearbeitungsweg von 9.000 Millimeter zeigten die Werkzeugschneiden keine sichtbaren Verschleißmarken.

Die zweite Operation, das Schruppen der Formgeometrie erledigte ein Hochvorschub-Schaftfräser mit acht Millimeter Durchmesser und Torus Geometrie des Typs DS mit vier Schneiden. Die Parameter: Drehzahl 8.000 U/min, Eintauchtiefe 0,5 Millimeter, Vorschubgeschwindigkeit 9.600 m/min und Zahnvorschub 0,3 Millimeter. Die Kontur wurde von oben abgezeilt.

Bei den Formschrägen mit einer Konturtiefe von zehn Millimeter betrug die seitliche Zustellung ae = 0,4 Millimeter. Gekühlt wurde auch hier mit Luft durch das Hydrodehnspannfutter. Nach einer Fräszeit von 20 Minuten zeigte der Fräser keinen messbaren Schneidenverschleiß.

Kugelkopffräser Typ DSK. - Bild: Horn/Sauermann
Schlichten der zwölf Grad-Rampen mit dem 2-schneidigen Kugelkopffräser Typ DSK. - Bild: Horn/Sauermann

Das Schlichten der fertigteilrelevanten Tiefziehkonturen erledigte ein 2-schneidiger Kugelkopffräser mit sechs Millimeter Durchmesser des Typs DS. Bearbeitet wurden dabei die zwei Rampen mit zwölf Grad und die Formschrägen mit 74 Grad Neigung. Bei der Basisfläche erübrigte sich das Schlichten, da sie außerhalb der Fertigteilkontur liegt. Die Parameter: Drehzahl 9.000 U/min, Schnittgeschwindigkeit 170 mm/min, Vorschub 2.500 mm/min, fz = 0,07 Millimeter und Zustellung pro Zustellstufe 0,3 Millimeter. Kühlung wie oben.

Nach einer Gesamtbearbeitungszeit von 30 Minuten zeigten die Schneiden keinen sichtbaren Verschleiß. Die nachfolgende Rautiefemessung ergab Ra = 0,5 Mikrometer beziehungsweise Rz = 3,3 Mikrometer. Damit reichte die durch Fräsen erzielte Oberflächenqualität ohne Nacharbeit völlig aus zum Tiefziehen von qualitativ hochwertigen Acrylglasteilen.

Philipp Dahlhaus resümiert: „Die Anforderungen im Werkzeug-, Modell- und Formenbau sind vielfältig. Wir haben über lange Zeit Kompetenzen aufgebaut und unser Zerspanwerkzeugprogramm ausgebaut, um diesen gerecht zu werden.“

Quelle: Paul Horn GmbH

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