Zerspanungswerkzeuge entwickeln: Moderne Messtechnik statt Spekulation

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In der zunehmend automatisierten und effizienter arbeitenden Fertigung kommt der Qualität von Zerspanungswerkzeugen eine immer wichtigere Rolle zu – denn nur mit exakt arbeitenden Werkzeugen lässt sich Ausschuss vermeiden. Dynamometer von Kistler helfen Gesac bei der Entwicklung von anwendungsspezifischen Lösungen für die Zerspanung.

Der in Xiamen (Provinz Fujian, China) ansässige Hersteller von Schneidwerkzeugen Gesac (Xiamen Golden Egret Special Alloy) setzt piezoelektrische Dynamometer von Kistler für die Weiterentwicklung seiner Zerspanungswerkzeuge ein – darunter das neue kabellose rotierende Dynamometer. Präzise Messdaten ermöglichen detaillierte Leistungsvergleiche verschiedener Werkzeuge sowie anwendungsspezifische Lösungen, beispielsweise für die Herstellung von Bohrern.

Hohe Qualität der Zerspanungswerkzeuge

Moderne Bearbeitungszentren mit numerischer Steuerung, Sensoren und hochentwickelten Übertragungstechnologien produzieren effizient mit hoher Präzision, hoher Geschwindigkeit und gesicherter Qualität. Gleichzeitig werden die Mitarbeitenden in der Fertigung von schweren manuellen Tätigkeiten entlastet. Entscheidend dabei ist eine hohe Qualität der Werkzeuge, besonders in punkto Präzision, Dauerfestig­keit, Stabilität und Anwendbarkeit. Diese Eigenschaften wirken sich unabhängig von der Branche direkt auf die Bearbeitungsqualität aus – und damit auch auf die Kosten­effizienz beim Kunden.

Präzise Messergebnisse

„Die Forschung und Entwicklung von Werkzeugen erfordert einen hohen Lernaufwand und ist mit engen technischen Grenzen konfrontiert“, sagt Lin Liangliang, F&E-Leiter der Abteilung Zerspanungswerkzeuge bei Gesac. „Im Gegensatz zu anderen Indus­trieprodukten sind die Werkzeuge nicht nur entscheidend für die Bearbeitungsqualität, sondern stellen auch Verbrauchsmaterial dar, das sich auf die Stückkosten auswirkt.“ Die Werkzeugeigenschaften sind also unter Berücksichtigung der spezifischen Bearbeitungsszenarien der späteren Kunden zu bewerten.

Analytischer Leistungsnachweis

Ein erfolgreicher F&E-Prozess erfordert Messsysteme, die dynamische Zerspankraftdaten erfassen können, um sie als analytischen Nachweis für die Leistung und den Zustand von Werkzeugen und bearbeiteten Materialien zu verwenden. Deshalb setzt das Unternehmen auf die Messlösungen von Kistler. „Dank unserer Zusammenarbeit mit chinesischen Universitäten haben wir 2009 mit der Erprobung von Kistler-Produkten begonnen. Seit über zehn Jahren setzen wir Dynamometer von Kistler in unserer Forschung und Entwicklung ein“, erklärt Zhao Biaochun, Leiter der Abteilung Produkttests und -analysen bei Gesac. Das Unternehmen konzentriert sich auf drei große Produktkategorien: Vollmaterialfräser, Wendeschneidplatten und Bohrwerkzeuge. Am Ende des Fertigungsprozesses werden alle Produkte der einzelnen Kategorien stichprobenartig Eigenschaftsprüfungen, Tests unter Arbeitsbedingungen und Dauerfestigkeitsprüfungen unterzogen.

„Die Messergebnisse haben unsere zuvor nicht objektive Beurteilung der Werkzeuge, insbesondere der Bohrkronen, verbessert“, fügt Zhao hinzu. Anders als beim Drehen und Fräsen findet die Spanabfuhr beim Bohren im Inneren des Werkzeugs statt und ist daher während der Bearbeitung nicht ohne Weiteres zu beobachten. Früher spekulierten erfahrene Techniker anhand der Geräusche und der Belastung einer Werkzeugmaschine darüber, wie die Spanabfuhr verläuft, aber solche Spekulationen waren höchst subjektiv und ungewiss. Mithilfe von Schnittkraft-Dynamometern können die Ingenieure nun die Kraftindizes eines laufenden Bohrers genau messen und ihre subtilen Veränderungen erkennen. „Die Dynamometer überzeugen durch hohe Präzision und weite Messbereiche. Die gesicherte Qualität dieser Produkte ist einer der wichtigsten Gründe für unsere langfristige Partnerschaft“, erklärt Zhao abschließend.

Zerspanungswerkzeuge: Schnittleistungsvergleiche in Echtzeit

Die Messdatenerfassung ermöglicht dem Unternehmen detaillierte Werkzeugvergleiche. Wird bei der Bearbeitung eines dünnwandigen Werkstücks aus einer Aluminiumlegierung, wie es in der Luftfahrt­industrie verwendet wird, ein herkömmlicher Spiralbohrer eingesetzt, kann das Teil leicht verformt werden. Bei der Analyse der Genauigkeitsfehler beim Bohren dünnwandiger Werkstücke stellte das Forschungs- und Entwicklungsteam fest, dass die Verformung des Auslegers direkt mit den Zerspankräften zusammenhängt. Das heißt, je geringer die Zerspankräfte, desto geringer ist die Verformung und desto präziser ist die Lochgröße. Im Gegensatz dazu hat ein Kern­bohrer zwei inhärente Vorteile: Erstens werden seine Werkzeugkanten während der Bearbeitung weniger durch Späne gestört, zweitens wendet er geringere Zerspankräfte auf. Um zu vergleichen, wie sich die beiden unterschiedlichen Bohrwerkzeuge bei der Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke verhalten, analysierte das Team die mit den Dynamometern erfassten Zerspankraftdaten. Die Ergebnisse zeigen, dass Kernbohrer im Vergleich zu Spiralbohrern deutlich geringere Zerspankräfte aufbringen und eine wesentlich bessere Oberflächenqualität der bearbeiteten Teile erzielen.

Das neue kabellose rotierende Dynamometer soll Kunden dabei helfen, die gemessenen Zerspankräfte über drahtlose Signalempfänger direkt an den Rechner zu übertragen – ohne die zuvor notwendige Verkabelung in der Maschine. Wie herkömmliche rotierende Dynamo­meter zeichnet sich das drahtlose rotierende Zerspankraft-Dynamometer (Typ 9170B) durch eine hohe Eigenfrequenz, einen großen Messbereich und die Möglichkeit der Echtzeitmessung von Zerspankräften durch ein rotierendes Werkzeug aus. Bereits während der Messung werden die Werte Fx, Fy, Fz und Mz ausgegeben. Anschließend werden die Tangentialkraft Ft und die Normalkraft Fn durch nahtlose Softwareberechnungen dargestellt. „Wir können die gemessenen Daten sogar direkt den einzelnen Schneiden der entsprechenden Werkzeuge zuordnen, sodass wir die spezifischen Kräfte, die auf jede Schneide einwirken, genau bestimmen und gezielter einsetzen können“, erklärt Lin Liangliang. „Die Abteilung für Zerspanungswerkzeuge wird weiterhin dazu beitragen, die Lieferkette der Werkzeugindustrie in China voranzubringen, indem sie ihre technische Stärke ausbaut und ihre Dienstleistungsphilosophie ‚von Endkunden und für Endkunden‘ lebt.“

Der Autor Gunnar Keitzel ist Head of Business Center Manufacturing Technologies bei Kistler.

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