Keramikfaser-Werkzeuge aus Hochleistungskeramik für beste Entgrat- und Polierergebnisse von Oberflächen, Kanten und Bohrungen
Überall dort, wo Werkstücke ein besonderes Oberflächenfinish benötigen, sind Keramikfaser-Werkzeuge meist erste Wahl. Hier trifft Hochleistungskeramik auf Teile, die Höchstleistung vollbringen müssen, vor allem in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie. Die einzigartigen Eigenschaften stellen die von herkömmlichen Drahtbürsten oder mit Keramikpartikeln bestückten Nylonbürsten weit in den Schatten. So lassen sich mit Keramikfaser-Bürsten beispielsweise Querbohrungen und Oberflächen bearbeiten, während Schleifstifte ideal für die punktgenaue Feinstentgratungen sind.
Die prozesssicheren Entgrat- bzw. Polierabläufe können damit in die Komplettbearbeitung der Bauteile implementiert werden, sodass eine manuelle Nachbearbeitung überflüssig wird. KEMPF, der Entgratspezialist aus Reichenbach-Fils, ist exklusiver Vertriebspartner dieser speziellen Entgrat- und Polierwerkzeuglösungen und kann mittlerweile über eine große Expertise an Anwendungen zurückblicken – vom winzigen Titanbauteil über riesige Motorblöcke, die mit Xebec-Keramik bearbeitet werden.
Um es vorweg zu nehmen – nein, die Keramikfasern haben nichts mit einer gewöhnlichen Steinkeramik und noch weniger mit einer Kaffeetasse zu tun. Vielmehr steckt hinter dem eingesetzten Werkstoff eine „technische Keramik“, die im Gegensatz zur Kaffeetasse, die als Gebrauchskeramik bezeichnet wird, aus Al2O3 Aluminiumoxid und speziellem Bindemittel bei hohen Temperaturen gesintert wird und erst dann ihre individuellen Eigenschaften erhält. Die daraus entstehende Oxidkeramik besitzt unter anderem eine hohe Härte (härter als Stahl) und eignet sich daher bestens zur Verwendung als Schneidstoff in der spanenden Bearbeitung. Darüber hinaus ist diese Art von Keramik sehr hitzebeständig, formstabil und verschleißfest – ideale Voraussetzungen also, um daraus Entgratwerkzeuge zu fertigen, die für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden können.
Da sich für diesen Werkstoff besonders Polier- und Schleifarbeiten anbieten ist es naheliegend, die einzigartigen Eigenschaften der Hochleistungskeramik in einzelnen Fasern zu bündeln und komplette Bürstensysteme zu entwickeln, die herkömmlichen (Metall- oder Nylon-) Bürsten weit überlegen sind. Weil Keramik an sich sehr hart ist, die Faserstäbe jedoch gleichzeitig so flexibel sind, dass sie sich der Werkstückoberfläche anpassen, entsteht eine gleichmäßige Schleifwirkung, was wiederum zu konstanten und hervorragenden Polier- und Schleifeigenschaften führt und somit gleichmäßige Oberflächen erzeugt werden. Darüber hinaus entsteht bei der Zerspanung kein Sekundärgrat und es findet keine Anhaftung durch den Selbstregenerationseffekt des Keramikwerkstoffs statt. All dies führt zu beachtlichen Oberflächengüten (Ra und Rz Werte), die im zerspanenden Verfahren mit anderen Werkzeuglösungen nicht oder nur schwer erreicht werden.
„Gratfrei direkt von der Maschine“ – ein wesentlicher Vorteil für jede Serienfertigung
Die vom Entgratspezialisten KEMPF vertriebenen Keramikwerkzeuglösungen mit den beschriebenen Xebec-Keramikfasern können dabei für die verschiedensten Bearbeitungen herangezogen werden. Dabei gilt stets das Ziel, „gratfrei direkt von der Maschine“ produzieren zu können und deshalb Werkzeuglösungen anzubieten, die sich in den gesamten Herstellungsprozess implementieren lassen mit dem Ziel, manuelle Entgrattätigkeiten komplett zu eliminieren. Vor allem bei Serienbauteilen mit hoher Fertigungsmenge sind die daraus entstehenden (Kosten-) Vorteile beachtlich.
So konnte KEMPF bei der Firma Schwab CNC in Rot am See für eine Serienfertigung eines Actuator-Housings (Lenkgetriebegehäuse) aus Magnesium die komplette maschinelle Entgratung ermöglichen und damit die geforderten Qualitätsvorgaben mehr als erfüllen. Mit einer Auflage von 200.000 Stück pro Jahr keine leichte Aufgabe, denn die dafür benötigten Werkzeuglösungen waren bei Schwab CNC bis dato noch nicht im Einsatz. Neben den komplexen Konturen, die mit dem Back-Burr Cutter & Path Entgratsystem bearbeitet wurden, musste auch die Flanschfläche sowie alle Konturen auf der Unterseite des Bauteils entgratet werden. Die dafür verwendete Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA11-CB40M mit roten Fasern sorgt dabei für den gewünschten gleichmäßigen Abtrag des Grates am Bauteil.
Maschinelle Entgratung mit einer Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA11-CB40M mit Durchmesser 40 mm - diese fährt in wenigen Sekunden den gesamten Bauteilrand an der Unterseite ab und entgratet diesen vollständig. Die kontinuierliche Roboterbestückung sorgt für eine nahezu 100% Auslastung der Maschine. Um eine gleichbleibende Schleifleistung über alle Teile hinweg zu garantieren, kann der Bürstenüberstand einfach mittels einer Madenschraube an der Aluminiumhülse nachgestellt, oder ein Ausgleichshalter zur automatisierten Verschleißkompensation eingesetzt werden. Schwab CNC setzt bei dieser Anwendung auf eine Werkzeuglängen-Änderung von 0,0005 – bis 0,003mm per R-Parameterprogrammierung der Bürste.
Durch die einzigartigen Eigenschaften dieser Keramikfaser-Bürsten ist mit einem durchschnittlichen Verschleiß von 0,0005 mm pro Bauteil eine Standzeit von weit über 100.000 Bearbeitungen möglich. Um eine gleichbleibende Entgratleistung zu gewährleisten setzt Schwab CNC zusätzlich auf eine Parameterprogrammierung der Bürstenlänge. Hierbei reduziert sich die Werkzeuglänge der Bürste automatisch nach jedem Programmdurchlauf bis die gesetzte Verschleißgrenze erreicht ist. Bei diesem Actuator-Housing (Lenkgetriebegehäuse) muss der Maschinenbediener erst nach 20.000 Bauteile die Bürste nachstellen. Auf die bisher manuell getätigten Entgrattätigkeiten an dem komplexen Bauteil konnte fortan verzichtet werden.
Links: Nach der Fräsbearbeitung der Zylinderköpfe aus Aluminium-Druckguss entsteht vor allem an den Gusskonturen ein erheblicher Grat. Dieser sollte vollständig und prozesssicher innerhalb der festgelegten Bearbeitungsdauer entfernt werden.
Mitte: Die bisher eingesetzte Tellerbürste mit Schleifnylon-Besatz konnte die Vorgaben nicht erfüllen, sodass in der Serienfertigung immer noch Restgrat übrigblieb.
Rechts: Das Ergebnis nach dem Einsatz der Xebec-Keramikfasern. Die Oberflächenbürste entfernte den kompletten Grat, die Prozessgeschwindigkeit konnte eingehalten werden und der Kunde war mehr als zufrieden.
Aber auch im Vergleich zu herkömmlichen Bürstensystemen auf dem Markt spielen die Keramikfasern ihre Vorteile aus. Entsprechende Vergleichstests wurden bei einem Automobilzulieferer durchgeführt, dessen produzierte Zylinderköpfe für einen bekannten Sportwagenhersteller in der Serienfertigung immer noch Restgrate aufwiesen. Die Teile aus Aluminium-Druckguss wurden an der Auslassseite aus Prozessgründen mit einem Hartmetall-WSP-Messerkopf trocken bearbeitet, sodass in Richtung Auslasskanäle und an den Guss-Außenkonturen erheblich Grat erzeugt wurde, der eigentlich prozesssicher entfernt werden sollte. Mit der bis dato eingesetzten Tellerbürste mit Schleifnylon-Besatz SiC war es jedoch nicht möglich, die Gratwurzel in der gewünschten Prozessgeschwindigkeit zu entfernen. Daraufhin wurde die Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA21-CB40M mit weißen Xebec-Keramikfasern und 40 mm Durchmesser, ebenfalls in der Trockenbearbeitung, mit den Schnittparametern n = 2.400 U/min, f = 4.000 mm/min und ap = 1,00 mm eingesetzt. Das Ergebnis zeigte, dass die Keramikfaser-Bürste ein wesentlich besseres Entgratergebnis erzielte und keine Sekundärgrate entstanden. Auch die gewünschte Prozessgeschwindigkeit konnte eingehalten werden
Die verschiedenen Bürstentypen (Farben) im Überblick – für unterschiedliche Anwendungsfälle und Materialien sind natürlich auch unterschiedliche Eigenschaften der eingesetzten Keramikfasern notwendig. Die vier Farben sind hierbei lediglich das Unterscheidungsmerkmal für die unterschiedliche Härtegrade bzw. für die sich daraus ergebene Abrasivität der Fasern.
Kombination aus PKD-Fräser und Keramikfaser-Bürste sorgte für 30 min schnellere Bearbeitungszeit
Vor ähnlichen Problematiken mit einem Bauteil aus Aluminium Sandguss stand das dafür beauftragte Unternehmen, als es ebenfalls um die Entgratung von mehreren eingefrästen Taschen ging. Der halbkreisförmige „Kameraträger“ mit etwa 600 mm Durchmesser für die Optikindustrie sollte dabei mit mehreren Aussparungen versehen werden, die zur Kameraaufnahme dienen. Die äußere, bei Gusskonturen übliche undefinierte Kontur der gefrästen Tasche, sollte dabei vollständig entgratet werden, was angesichts der bei der Herstellung der Aussparungen entstandenen Grate prozesssicher nicht möglich war. Um den gesamten Ablauf deutlich zu optimieren, wurden die bisher eingesetzten Vollhartmetall-Fräswerkzeuge, die viel zu große Gratwurzeln erzeugten, durch PKD-Fräser aus dem Hause KEMPF ausgetauscht. Die Standardfräser KF 910 mit den Durchmessern 14 mm und 20 mm sowie ein PKD-Sonderwerkzeug mit 38 mm Durchmesser leisteten dabei so gute Vorarbeit, dass die zum Entgraten der Konturen eingesetzte Keramikfaser-Oberflächenbürste nur noch minimale Grate entfernen mussten. So senkte sich nicht nur der Verschleiß und somit auch die Standzeit der eingesetzten Keramikfaser-Bürste, sondern auch die Haltbarkeit der PKD-Fräser übertraf die der vorher eingesetzten VHM-Fräser um ein Vielfaches. Die in mittelgroßer Serie produzierten Kameraträger werden seither mit dem optimierten Verfahren und den nun eingesetzten PKD Fräsern ganze 30 min schneller gefertigt. Eine manuelle Nacharbeit ist nicht mehr notwendig, da alle Prozesse maschinell in gleichbleibender Qualität umgesetzt werden.
Die gefräste Tasche an der Außenseite des Kameraträgers oberhalb der Aussparung für die Kamera – um die Kontur zu entgraten, wird die gesamte Fläche einfach mit einer Oberflächen-Bürste mittlerer Abrasivität (rot) des Typs BÜA11-CB25M abgefahren. Durch die Verwendung des PKD-Standardfräsers KF910 aus dem Hause KEMPF wurde zudem eine gratminimierter Fräsprozess implementiert, der die Standzeit des Fräsers und der Keramikfaser-Bürste mit Durchmesser 25 mm um ein Vielfaches erhöht.
Keramikfaser-Werkzeuge lohnen sich auch bei Kleinserien
Doch auch bei Kleinserien oder sogar in der Prototypenfertigung spielen Entgratvorgänge eine wichtige Rolle. Vor allem dann, wenn hochpräzise Bauteile bearbeitet werden müssen, ist nicht die Menge, sondern rein die erreichte Qualität der Bearbeitung ausschlaggebend. Dies trifft insbesondere für Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt zu. In diesem Bereich hat sich die Firma Seiffer & Steiner Präzisionsteile GmbH in Lauffen am Neckar über die Deutschen Grenzen hinaus einen Namen gemacht und unter anderem ein hochpräzises optisches Sensorteil für Satelliten mitentwickelt und Teile der Prototypenfertigung übernommen.
Da hierbei höchste Präzision und Fertigungsqualität die Voraussetzungen sind, war die komplett maschinelle und gratfreie Herstellung obligatorisch. Doch gerade bei der maschinellen Entgratung der vielen Bohrungen mit teilweise asymmetrischen und gewölbten Konturen, sowie der Bearbeitung der Oberflächen, war Seiffer & Steiner auf entsprechende Werkzeuglösungen angewiesen, auf die bis dato noch nicht zurückgegriffen werden konnte.
Ein Messebesuch auf der Deburring Expo in Karlsruhe und der daraus resultierende Erstkontakt zum Entgratspezialisten KEMPF aus Reichenbach-Fils sollte dies nachhaltig ändern. Um die vielen Flächen, Bohrungen und 3-D Konturen vor allem prozesssicher und absolut gratfrei direkt in der Maschine herzustellen, wurden unter anderem eine Vielzahl von Keramikfaser-Werkzeugen verwendet. So wurden mit einer Keramik Cross-Hole Bürste sämtliche Querbohrungen entgratet. Die dafür konzipierte Bürste steuert dabei die Flanken der Keramikfasern durch die entstehende Fliehkraft an die Bohrungswand und kann so feine Grate bis 0,1 mm effizient entfernen, ohne dabei die Bohrung zu beschädigen. Mit unterschiedlichen Werkzeuglängen können mit dieser Lösung nicht nur „normale“ Bohrungen, sondern auch Tieflochbohrungen bis zu 370 mm bearbeitet werden. Für die Fläche des Anbauflansches des etwa 100 mm langen Bauteils aus hochfestem Titan wurde eine Oberflächenbürste mit Durchmesser 15 mm eingesetzt, die bestens dafür geeignet ist um Planflächen zu entgraten ohne eine zu große Kantenverrundung zu erzeugen. Verschiedene Keramikschleifstifte mit flexiblem Schaft und speziellem Keramik-Werkstoffkopf sorgen schließlich für das nötige Finish und realisieren punktgenau die letzten Feinstentgratungen an Konturen und Bohrungen im Bereich unter 10 mm Durchmesser.
Seitliche Fläche des optischen Sensorbauteils für Satelliten - gut zu erkennen ist die mit der Keramikfaser-Bürste des abrasivsten Typs (blaue Bürste) BÜA32-CB15M bearbeitete Oberfläche des Anbauflansches. Die kleinen Querbohrungen am linken Bildrand wurden mit einer Cross-Hole Bürste BÜCH-A33-7M (blau) mit Durchmesser 7 mm prozesssicher entgratet.
An der Stirnseite des optisches Sensorbauteils kam die Oberflächen-Keramikfaser-Bürste BÜA32-CB15M zum Einsatz um alle Konturen scharfkantig zu entgraten ohne jedoch eine Fase zu erzeugen. Die kleinen Querbohrungen innerhalb der Hauptbohrung wurden mit einem flexiblen Schleifstift des Typs BÜCH-PB-4B (blau) mit Durchmesser 4 mm sehr fein entgratet.
7 Mannstunden gegen 2 Maschinenstunden eingetauscht
Mit einem ganzen Mix aus Keramikfaser-Werkzeugen konnte die Firma Binder GmbH - Apparate und Behälterbau in Crailsheim ihre Produktion optimieren. Der Edelstahl verarbeitende Betrieb stellt vor allem Druckbehälter für die Lebensmittel-, Chemie-, Kosmetik und die Pharmaindustrie her und muss deswegen höchste Standards in der Qualität der Oberflächen einhalten. Die Edelstahl-Behälterverschlüsse, die aus einem Stück gefertigt werden und teilweise viele Bohrungen, Konusse und Nuten enthalten, müssen für ihren späteren Einsatz absolut gratfrei sein und eine absolut spiegelglatte Oberfläche besitzen. Da jeder Fräser, vor allem an den Überlappungsflächen, gewisse Spuren auf der Oberfläche hinterlässt, mussten diese bisher in mühevoller Handarbeit mit verschiedenen Schleif- und Polieraufsätzen herausgearbeitet werden, was pro Verschlussdeckel (je nach Größe) etwa einen ganzen Arbeitstag in Anspruch nahm. Für Abhilfe sorgten schließlich drei Keramikfaser-Bürsten, die die manuelle Arbeit fast komplett eliminieren konnten.
So wurde für die Bearbeitung der Oberfläche (Polieren und Entgraten der Werkstückkanten) die abrasivste Ausführung der Bürste des Typs BÜA32-CB40M mit 40 mm Durchmesser und blauen Keramikfasern eingesetzt.
Die eingefrästen Konusse, wurden je nach Winkel mit der Keramik-Mobilschleiffaser des Typs BÜA32-EB06M, ebenfalls mit blauen Keramikfasern, bearbeitet. Dieses Werkzeug bietet sich bestens für die Bearbeitung an der schrägen Innenfläche der Konusse an, da die Eingriffsfläche nicht wie bei den anderen Bürsten eben, sondern mit etwa 50°angewinkelt (angespitzt) ist.
Da die Konusse verschiedene Austrittswinkel aufweisen, wurde an bestimmten Stellen zusätzlich die Keramikfaser-Rundbürste „Wheelbrush“ eingesetzt. Das Werkzeug eignet sich vor allem dann, wenn seitliche Flächen poliert bzw. entgratet werden müssen. Im Verbund mit allen drei Werkzeuglösungen war es der Firma Binder GmbH möglich, selbst für individuelle Kleinserien, fast alle Produktionsabläufe in die Maschine zu verlagern, die Prozesse zu vereinheitlichen sowie die Qualität zu sichern und bei dieser Bearbeitung sieben Mannstunden gegen lediglich zwei zusätzliche Maschinenstunden „einzutauschen“.
Es zeigt sich, dass „Keramik“ eines der vielfältigsten einsetzbaren Werkstoffe ist. Der älteste künstliche Werkstoff der Welt spielte in der Menschheitsgeschichte schon immer eine Rolle und wird mit dem Einsatz als „technische Keramik“ gefragter denn je, denn sie lässt sich mittlerweile der High-Tech Sparte zuzuordnen und bietet weiterhin sehr viel Potenzial. Auch im Bereich der Zerspanung bietet Keramik, beispielsweise durch die höhere Materialhärte im Vergleich zu Stahl, wesentliche Vorteile und wird dennoch oft unterschätzt. Dabei zeigen die aufgeführten Beispiele, dass Werkzeuge aus Keramikfaser bzw. Keramikstein genau dann ihre Vorteile ausspielen, wenn konventionelle Werkzeuge an ihre Grenzen stoßen und Bauteile dann trotzdem manuell nachgearbeitet werden müssen. KEMPF als Entgratspezialist stellt dabei die Werkzeuglösung zur Verfügung, die genau diese unnötigen Prozesse eliminieren und dem Kunden damit Zeit, Geld und Nerven erspart und die Fertigung optimiert.
Eine Auswahl der Keramikfaser-Bürsten im Überblick:
Links die kleinste Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA13-EB01S „Mobil-Schleiffaser“ mit Durchmesser 1 mm in pink. Diese Bürste kommt hauptsächlich mit mobilen Endgeräten in der Feinstbearbeitung von kleinen Flächen und Kanten zum Einsatz.
Daneben die Keramikfaser-Oberflächenbürste BÜA13-CB15M mit 15 mm Durchmesser in pink, die für die Bearbeitung von kleinen Flächen in der CNC-Maschine konzipiert ist.
Die Rundbürste des Typs „Wheelbrush“ BÜW-A11-75 mit 75 mm Durchmesser ist speziell für die Bearbeitung von seitlichen Flächen und Kanten vorgesehen.
Rechts daneben die blaue Keramikfaser Crosshole-Bürste des Typs BÜCH-A33-7M mit 7mm Durchmesser, die sich zum Entgraten von Querbohrungen eignet.
Ganz rechts die Keramikfaser-Oberflächenbürste des Typs BÜA32-CB25M mit 25 mm Durchesser. Diese Bürste eignet sich besonders für etwas größere Oberflächen. Bei diesem Bürsten-Typ sind Durchmesser bis zu 200 mm erhältlich (XL)
Auch die Schleifstifte mit pantentiertem Keramik-Stein aus abrasivem keramischen Fasermaterial machen sich die einzigartigen Eigenschaften zu Nutze und eignen sich perfekt für Entgratungen und Polierarbeiten. Die im Bild gezeigten Varianten mit flexiblem Schaft sorgen zusätzlich für einen sanften und flexiblen Kontakt zum Werkstück und erlauben somit Feinstentgratungen ohne Verspringen des Werkzeugs, vor allem bei Bearbeitungen von Querbohrungen.