Werkstätten, die in neue Märkte expandieren möchten, sehen sich häufig veranlasst, zur Unterstützung ihrer Bemühungen neue Bearbeitungsmaschinen anzuschaffen oder neue Bearbeitungsverfahren einzuführen. Im Fall von True Die führten die Fortschritte bei der Diversifizierung des Produktangebots durch die Herstellung präziser Rundwerkzeuge für Tiefziehanwendungen in der Blechumformung zur Entwicklung einer effektiven Strategie für das Hartdrehen. Ziel war es, das Schleifen des Innen- (ID) und Außendurchmessers (OD) von (hauptsächlich) gehärteten Rundwerkzeugen aus Pulvermetall mit einer Härte von bis zu 64 HRC überflüssig zu machen, um höhere Materialabtragsraten zu erzielen und gleichzeitig die Leistung des Schleifens in Bezug auf Rundlauf, Oberflächengüte und Maßgenauigkeit zu erreichen. Dies ist dem Unternehmen inzwischen gelungen und es ist nun möglich, Durchmesser und Radien mit einer Genauigkeit von ±0,0002 Zoll hartzudrehen.

Tatsächlich handelt es sich bei zwei der jüngsten Maschinenanschaffungen der Werkstatt in Zeeland, Michigan, um Drehzentren, die ursprünglich für das Hartdrehen angeschafft wurden. Mitch Stahl, der technische Spezialist von True Die, leitete zusammen mit Chris McCleary, dem Drehkoordinator, ein Team von Maschinisten bei der Entwicklung der Hartdrehstrategie der Werkstatt. Kurz gesagt, erklärt er, läuft der Ansatz der Werkstatt auf drei miteinander verbundene Konzepte hinaus: die Gewährleistung einer umfassenden Prozessstabilität, der Einsatz der richtigen Schneidwerkzeuge und die Anwendung der entsprechenden Schnittdaten.

Das Schlüsselwort hier ist „vernetzt“. Herr Stahl betont, dass die Umsetzung nur eines oder zweier dieser Konzepte nicht funktionieren würde; für effektives Hartdrehen müssten alle berücksichtigt werden. „Bei der Implementierung eines solchen Prozesses ist es ebenso wichtig, auf die kleinen Details zu achten“, bemerkt er.

True Die, ehemals Contour Tool and Engineering, bevor es dieses Unternehmen 2015 übernahm, verfügt über Expertise in der Konstruktion, Bearbeitung und Montage von Kunststoff-Spritzgussformen und Folgeverbundwerkzeugen. In seiner 930 Quadratmeter großen Anlage verfügt das Unternehmen über eine breite Palette an Bearbeitungsmaschinen, darunter CNC-Fräsen, Drehzentren, Schleifmaschinen sowie Draht- und Senkerodieranlagen.

Brian Brown, Präsident von True Die, sagt, die Tiefzieh-Metallumformungsbranche biete dem Unternehmen die Möglichkeit, in einen neuen Markt zu expandieren, der die anderen Märkte ergänzt. „Unsere Expertise in der Anwendung von Tiefziehstanzteilen hat uns als Werkzeuglieferant einzigartig positioniert und ermöglicht es uns, konkrete Lösungen und leistungsstärkere Werkzeuge auf den Markt zu bringen“, so Brown. „Mit weit über 100 Jahren Erfahrung in Design, Entwicklung und Produktion von Tiefziehstanzteilen waren wir bestens vorbereitet und kannten die besonderen Anforderungen dieser Branche bestens.“

Zum Zeitpunkt der Übernahme fertigte Contour ausschließlich Formen und Matrizen. Durch eine strategische Partnerschaft mit einem Tiefziehstanzunternehmen und zwei weiteren Kunden konnte das Unternehmen sein Angebot erweitern und seine Diversifizierung und das Potenzial für schnelles Wachstum steigern. Die von Herrn Brown so genannte „Detailabteilung“ ergänzte das Angebot. Diese liefert Einzelkomponenten für neue und bestehende Tiefziehwerkzeuge und automatisierte Montageanlagen. Die Detailarbeit macht derzeit 50 Prozent des Umsatzes aus, und das Unternehmen ist in den zwei Jahren seit seinem Einstieg in den Detailmarkt um fast 700 Prozent gewachsen.

Diese Rundwerkzeuge werden in komplexen Folgeverbund- und Tiefziehwerkzeugen verwendet, mit denen (normalerweise zylindrische) Komponenten aus Blech (üblicherweise Edelstahl) hergestellt werden, vorwiegend für die Automobilindustrie, beispielsweise Komponenten für Kraftstoff-, Brems- und Airbagsysteme. „Ursprünglich gingen wir davon aus, dass wir eine leistungsfähigere Rundschleifmaschine anschaffen müssten, um die erforderlichen Toleranzen und Oberflächengüten der Rundwerkzeuge zu erreichen“, so Herr Brown. „Aufgrund seiner Erfahrung mit Hartdrehen meinte Herr Stahl jedoch, dass mit einem Hartdrehverfahren die erforderliche Präzision der Werkzeuge erreicht und aufgrund des höheren Materialabtrags ein schnellerer Durchsatz als mit Schleifen erzielt werden könne. Darüber hinaus könnten wir auch komplexe Profile aus gehärteten Materialien effizient drehen, deren Schleifen unerschwinglich wäre und möglicherweise Formschleifvorgänge erfordern würde.“

Da True Die ein Auftragsfertiger ist, sind die Losgrößen für Rundwerkzeuge gering (oft zwischen einem und sechs Stück) und der Produktmix hoch. Die Werkzeuglänge kann bis zu 20 Zoll und der Durchmesser zwischen 0,1 und 12 Zoll betragen, und viele Versionen weisen ein hohes Längen-Durchmesser-Verhältnis (L:D) auf.

Die Werkstatt fertigt hauptsächlich Rundwerkzeuge aus Stangenmaterial aus Pulvermetalllegierungen, die aus Partikeln verschiedener Metalle und Legierungselemente bestehen. Das Pulvermetall wird zu Stangenmaterial gepresst, das die Werkstatt zunächst im weichen, grünen Zustand bearbeitet, bevor eine Wärmebehandlung erfolgt. Dabei werden die einzelnen Partikel miteinander verbunden und das gehärtete Bauteil entsteht. Je nach Pulvermetalllegierung ist die Härte des Werkzeugs im grünen Zustand nahezu vernachlässigbar und kann mit herkömmlichen Drehverfahren effektiv bearbeitet werden. Nach der Wärmebehandlung kann die Härte des Werkzeugs jedoch bis zu 64 HRC betragen. Zu den gängigen Pulvermetallstählen, die die Werkstatt bearbeitet, gehören CPM 3V, 9V und 10V sowie M2 und M4.

True Die lässt nach dem Drehen im vorgehärteten Zustand typischerweise etwa 0,010 bis 0,012 Zoll zusätzliches Material übrig, um nachfolgende Hartdrehdurchgänge zu ermöglichen. Bei Teilen, die nach der Wärmebehandlung zu starkem Verzug neigen, beispielsweise mit einem hohen Längen-/Durchmesserverhältnis, kann mehr Material übrig bleiben. Bei starkem Verzug liegt die Herausforderung weniger in der Einhaltung der Maßtoleranzen als vielmehr in der Einhaltung enger Rundlauftoleranzen. „Manchmal ist es schwieriger, ein verzogenes Teil gerade zu bekommen, als es auf Maß zu bringen“, sagt Herr Stahl.

Die beiden kürzlich erworbenen Drehzentren True Die für das Hartdrehen sind MazakQuick Turn Nexus 250 II-Modelle mit 12-Stationen-Revolvern (keine davon mit angetriebenen Werkzeugstationen). Die erste dieser Maschinen wurde im April 2016 gekauft, die zweite später im August desselben Jahres. Sie bieten die nötige Stabilität, um die Grundlage für den Hartdrehprozess zu bilden, so Herr Stahl.

Laut Mike Utter, dem Vertreter des Werkzeugmaschinenhändlers Addy Machinery(Grand Rapids, Michigan), der die Maschinen an True Die verkauft hat, tragen deren MX-Hybrid-Rollenführungssysteme maßgeblich zu ihrer Steifigkeit bei. „Die Rollen bieten mehr Oberflächenkontakt als Kugellager und dennoch weniger Reibung als Gleitschienen“, erklärt er. „Das System bewältigt außerdem hohe Tragfähigkeiten effektiv, da es bei Rollen weniger zu elastischer Verformung kommt und sie ein hohes Maß an Dämpfungsvermögen bieten, wodurch die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert wird. Es verfügt außerdem über ein X-Typ-Design, das die Last effizient in vier Richtungen verteilt – radial (im und gegen den Uhrzeigersinn), gegenradial und lateral – und Umkehrfehler bei Kurvenbewegungen reduziert.“ Außerdem soll der in diesen Maschinen verwendete integrierte Spindelmotor eine bessere Konzentrizität beim Zerspanen schwerer Lasten bieten als Maschinen mit riemengetriebenen Spindeln.

Herr Stahl betont, dass es beim Hartdrehen ebenso wichtig sei, die Werkstückspannung und die Steifigkeit des Schneidwerkzeugs zu berücksichtigen. Um dies zu erreichen, verwendet die Werkstatt Spannzangen anstelle von Spannbacken, um eine größere Kontaktfläche mit dem Stangenmaterial zu gewährleisten. „Außerdem ist die parallele Spannung einfacher zu erreichen, da bei Spannzangen kein Spannbackenhub erforderlich ist“, so Herr Stahl. „Alle Passflächen müssen sauber sein, einschließlich Werkstück, Spannzange und Spindelspitze.“

True Die verwendet die HardingeDas FlexC-Schnellwechsel-Spannzangensystem ist an Nexus-Maschinen (sowie an vielen anderen Drehzentren) verbaut und bietet einen Rundlauffehler (TIR) von 0,0004 Zoll. Das FlexC verkürzt zudem die Rüst- und Umrüstzeiten im Vergleich zu herkömmlichen Backenfuttern. Das System besteht aus einer Spindelhalterung, Spannzangenköpfen und einem Handschlüssel mit Auslösehebel zum manuellen Einsetzen oder Wechseln der Spannzangenköpfe bei entspanntem Maschinenfutter.

Die Spannzangenköpfe bestehen aus gehärteten Stahlsegmenten, die durch Vulkanisation miteinander verbunden sind. Da kein Spannzangenschaft vorhanden ist, bleiben die Spannzangensegmente parallel zum Werkstück. Die parallele Klemmung minimiert den Materialrückstoß und erfordert weniger Zugkraft, um die gleiche Spannkraft wie herkömmliche Spannzangen zu erreichen. Dieses System kann Stangendurchmesser bis zu 8,3 cm aufnehmen. Ein typischer FlexC-Spannzangenkopf hat einen Spannbereich von ±0,5 mm kleiner und größer als seine Nenngröße, um unterschiedliche Stangengrößen ohne Wechsel auf eine andere Spannzangengröße auszugleichen. Für Werkstückdurchmesser über 8,3 cm verwendet die Werkstatt standardmäßige Drei- und Sechsbackenfutter.

Um die Steifigkeit des Schneidwerkzeugs zu gewährleisten, ist es zunächst wichtig, die Fräser auf der richtigen Werkzeugmittenhöhe zu positionieren, erklärt Herr McCleary. „Schon eine Abweichung von nur 0,002 Zoll kann zu Rattern und Vibrationen führen“, sagt er. „Außerdem ist die Werkzeugmittenhöhe umso wichtiger, je kleiner der Werkstückdurchmesser ist.“ Denn bei gleichem Werkzeugabstand zur Werkstückmitte steigt der Fehleranteil bei kleineren Werkstückdurchmessern.

Auch der Werkzeugüberstand und -überhang vom Werkzeughalter sollten minimiert werden. Ausschlaggebend sind in der Regel der Werkzeugabstand beim Außendrehen mit Reitstock und die Bohrungstiefe beim Innenbohren. „Wenn der Überstand zu Vibrationen führt, sollten zunächst Drehzahl und Vorschub angepasst werden“, erklärt Herr McCleary. „Im nächsten Schritt könnte ein anderer Schneidplattenradius oder eine andere Kantenbearbeitung in Betracht gezogen werden.“

In fast allen Fällen verwendet True Die Schneidwerkzeuge aus kubischem Bornitrid (CBN) zum Hartdrehen, hauptsächlich aus SumitomoDie Werkstatt hat festgestellt, dass CBN bei sehr harten Materialien länger hält als Keramik, eine höhere Wiederholgenauigkeit bietet und mit Kühlmittel betrieben werden kann. Der Nachteil ist, dass CBN-Fräser teurer sind als Keramik. Typischerweise wird die Sorte Sumiboron BNC200 für kontinuierliche Schnitte und die Sorte BNC300 für unterbrochene Schnitte verwendet (etwa 25 Prozent der Rundwerkzeuge haben unterbrochene Schnitte). Diese Wendeschneidplatten bieten angeblich ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Bruchfestigkeit und Verschleißfestigkeit und sind mit einer Titanaluminiumnitrid-Beschichtung (TiAlN) versehen.

True Die verwendet rautenförmige Wendeschneidplatten mit einem Winkel von 25 bis 80 Grad (üblicherweise mit negativer Geometrie) und Eckenradien von 0,004 bis 0,031 Zoll. Eine 55-Grad-Wendeschneidplatte wird üblicherweise für das Außendrehen verwendet, mit einem Eckenradius von 0,030 Zoll für Schruppbearbeitungen und einem Eckenradius von 0,015 Zoll für die Schlichtbearbeitung. Eine stärkere 80-Grad-Diamantwendeschneidplatte wird für stark unterbrochene Schnitte verwendet. Für Bohrbearbeitungen wird üblicherweise eine 80-Grad-Wendeschneidplatte mit positiver Geometrie verwendet.

Herr McCleary weist darauf hin, dass es bei der Wahl zwischen Wendeschneidplatten mit negativer oder positiver Geometrie Kompromisse gibt. „Wir haben festgestellt, dass Wendeschneidplatten mit negativer Geometrie stabiler sind als Wendeschneidplatten mit positiver Geometrie und zudem umgedreht werden können, um vier nutzbare Schneiden zu erhalten“, erklärt er. Diese Wendeschneidplatten erzeugen jedoch einen höheren Schnittdruck und bieten weniger Freiraum. Wendeschneidplatten mit positiver Geometrie schneiden freier und bieten mehr Freiraum, haben aber eine schwächere Schneidkante.

In Bezug auf die Schnittdaten gibt es bei True Die keine festen Werte für jede Hartdrehanwendung, da diese je nach Materialart, Härte, Werkstücklänge, Schnittbedingungen usw. variieren. Die Schnittdaten können bei stark unterbrochenen Schnitten in sehr harten Materialien zwischen 150 sfm und bei weicheren Materialien mit mittlerer Härte bis zu 550 sfm betragen.

Herr Stahl gibt an, dass die typische Schnitttiefe (DOC), die die Werkstatt für Schlichtbearbeitungen verwendet, 0,003 bis 0,004 Zoll beträgt, obwohl Experten für Schneidwerkzeuge empfohlen haben, dass die Schnitttiefe mindestens dem Radius der Werkzeugspitze entsprechen sollte. True Die hat jedoch festgestellt, dass in einigen Fällen, beispielsweise bei einem L:D-Verhältnis des Werkstücks über 20:1, der Druck eines tieferen Schnitts zu einer zu starken Durchbiegung des Werkstücks führt und die Einhaltung der Toleranzen oft verhindert. Dieser Druck kann sogar Spannungen im Werkstück erzeugen und es verziehen.

Indem nach der Wärmebehandlung ein Materialabstand von 0,010 bis 0,012 Zoll (ca. 0,254 bis 0,300 mm) zum Abtragen belassen wird, können drei Hartdrehdurchgänge mit einer Tiefe von etwa 0,003 bzw. 0,004 Zoll (ca. 0,107 bis 0,110 mm) durchgeführt werden. Dadurch ist der Werkzeugdruck bei jedem Durchgang gleich.

„Wenn das vorherige Teil nach Maß gefertigt ist, sollte der Bediener das Werkzeug um die gesamte Menge des gerade abgetragenen Materials zurückziehen können, sodass das Werkzeug das Teil kaum noch streift“, erklärt Herr Stahl. „Dann geht es darum, den ersten Durchgang durchzuführen, um eine gute Oberfläche zum Messen des Werkstücks zu erhalten, den zweiten Durchgang durchzuführen und zu messen, um sicherzustellen, dass der Vorgang wiederholt wird, und schließlich den letzten Durchgang durchzuführen, um das Werkstück auf die endgültige Größe zu bringen.“

Mit dieser Methode kann die Werkstatt ein Werkzeug so lange einsetzen, bis es nicht mehr wiederholt. Verschleiß ist normal und zu erwarten und kann kontrolliert werden, solange der Einsatz in einem wiederholbaren Ausmaß verschleißt. Einsätze müssen jedoch ausgetauscht oder auf eine neue Schneide umgerüstet werden, wenn die aktuelle Schneide nicht wiederholt.

Außer bei unterbrochenen Schnitten wird in der Werkstatt fast immer mit Kühlmittel gearbeitet. Das Kühlmittel dient nicht zum Wegspülen der Späne oder zur Schmierung, sondern dazu, das Werkstück kühl zu halten. „Manchmal leiten wir den Kühlmittelstrom von der inerten Spitze weg, in manchen Fällen sogar auf die gegenüberliegende Seite des Werkstücks“, erklärt Herr McCleary. „Die hochharten Pulvermetallurgiematerialien erzeugen beim Hartdrehen so viel Wärme, dass die wärmebedingte Wärmeausdehnung unsere zulässigen Toleranzen überschreiten kann. Ohne Kühlmittel müsste der Bediener das Werkstück nach dem Hartdrehen vor der Messung abkühlen. Durch die Verwendung von Kühlmittel können wir ein Werkstück sofort messen.“ Bei unterbrochenen Schnitten wird in der Werkstatt kein Kühlmittel verwendet, da die Gefahr einer thermischen Frakturierung der Schneide besteht.

Eine der beiden Quickturn Nexus-Maschinen von True Die ist für Hartdreharbeiten reserviert, während die andere manchmal genutzt wird, wenn Kapazität für konventionelles Drehen benötigt wird. Herr Stahl hält es tatsächlich für wichtig, wenn möglich ein Drehzentrum ausschließlich für Hartdrehprozesse einzusetzen. „Wenn Sie so viel Arbeit haben, dass eine Maschine mit Hartdreh-Schlichtoperationen vollbesetzt ist, warum sollten Sie diese Maschine dann auch noch durch Schruppen belasten?“, fragt er. „Langfristig ist es besser, eine Maschine ausschließlich für das Hartdrehen zu verwenden, da dies meiner Meinung nach den Zeitraum verlängert, in dem die Maschine diese präzisen Operationen effektiv ausführen kann. Außerdem können Sie so alle entsprechenden Dreh-, Plan- und Ausdrehwerkzeuge in der Maschine vorrätig halten, was das Einrichten beschleunigt. Allerdings ist es nicht immer praktikabel, eine Maschine ausschließlich für das Hartdrehen einzusetzen, insbesondere in einer Werkstatt mit geringem Volumen und hoher Produktvielfalt.“