Diamonds are a Zerspaner’s best friend
„Gepresster Kohlenstoff“ – oder auch Diamant genannt – spielt in der Liga der härtesten Werkstoffe ganz oben mit und bietet sich deshalb bestens zur Bearbeitung von härtesten Metallen an. Vor allem dann, wenn Metalle bestimmte Eigenschaften aufweisen müssen, leistet der Diamant überragende Ergebnisse, beispielsweise als Diamant-Glattwalzwerkzeug, um perfekte Oberflächengüten zu erzielen. Die Firma KEMPF aus Reichenbach-Fils bietet genau für diese Art von Oberflächenfinish eine Vielzahl unterschiedlicher Diamant-Glattwalzwerkzeuge an, sodass Innen-, Außen- und auch Planbearbeitungen, selbst bei engen Platzverhältnissen, abgedeckt werden können.
Mehr als nur ein Schneidstoff
Wenn man über Diamanten redet, werden die meisten Bilder von funkelnden und sündhaft teuren Schmuckstücken im Kopf haben und weniger daran denken, dass der Diamant ein wahres Wunderwerk der Natur ist und zusammen mit verschiedenen Kohlenstoffverbindungen zu den härtesten auf der Erde vorfindbaren Materialien zählt. Also eigentlich viel zu schade, um nur Schmuckstücke oder Schallplattenspielnadeln herzustellen.
Was liegt also näher, als diesen Werkstoff auch in der zerspanenden Industrie einzusetzen? Nichts Neues, denken Sie, denn Diamant wird schon seit Jahrzehnten in Form von PKD- und CVD-Schneidstoffen vor allem für Dreh- und Fräsanwendungen verwendet.
Doch um bestimmte Oberflächengüten zu erzielen, wird meist zusätzlich geschliffen, poliert oder mit Rollenrollierwerkzeugen die Oberfläche geglättet und verdichtet. Dieses Verfahren funktioniert dann sehr gut, wenn definierte Werkstücke mit gleichbleibenden Abmessungen und einer hohen Stückzahl bearbeitet werden. Soll die Produktion jedoch flexibler gestaltet oder müssen Werkstücke mit unterschiedlichen Abmessungen in individuellen Stückzahlen gefertigt werden, sind Diamant-Glattwalzwerkzeuge die bessere Wahl.
Härter als jeder gehärtete Stahl und flexibel in der Bearbeitung
Nicht nur der eingesetzte Diamant-Werkstoff, der mit dem Werkstück in Kontakt kommt und die Oberfläche verdichtet, ist in der Härteskala für Mineralien mit Mohshärte 10 härter als jede gehärtete Schnellarbeitsstahlrolle. Auch die gesamte Werkzeugkonstruktion ist durch den Wegfall von beweglichen Teilen deutlich verschleißärmer.
Ein weiterer Vorteil von Diamant-Glattwalzwerkzeugen ist die Einsatzflexibilität. Je nach Werkzeugtyp kann beim Herstellen von rotierenden Bauteilen wie Stangen oder Wellen die Außen- aber auch die Innenbearbeitung, beispielsweise bei Rohren oder Bohrungen, im optimalen Fall mit dem gleichen Werkzeug erfolgen. Der eingesetzte Diamant muss lediglich den Kontakt unter Druck zum Werkstück aufbringen – die Bearbeitungsart spielt dabei prinzipiell keine Rolle.
Diamant-Glattwalzwerkzeuge für die Außenbearbeitung lassen sich deshalb unter bestimmten Bedingungen auch zur Bearbeitung von Planflächen verwenden, sodass zusätzliche Werkzeuglösungen oftmals nicht notwendig sind.
Wenn die Oberfläche „besonders“ sein muss
Durch den Druck auf die Oberfläche wird die Oberflächenstruktur, die gemeinhin aus „Bergen und Tälern“ besteht, umgeformt und die Rauheitsspitzen werden in die Täler gedrückt. Dadurch entsteht eine glatte und zudem verdichtete Oberfläche mit definierter Oberflächenstruktur.
Eine solche Oberfläche ist immer dann wichtig, wenn spezielle Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit oder ein besonderes optisches Oberflächenfinish gefordert sind. Solche Vorgaben sind besonders bei beweglichen Bauteilen wichtig, beispielsweise bei Spindeln oder Wellen. Oft sind diese Laufflächen durch Dichtringe zu weiteren Hydraulikkomponenten abgedichtet. Hier spielt die Beschaffenheit der Laufflächen eine außerordentlich wichtige Rolle.
Auch in der Luft- und Raumfahrt kommen diese Werkzeuge bei vielen hydraulischen Komponenten zum Einsatz, da das Glattwalzen immer den Effekt einer verdichteten Oberfläche mit sich bringt und deshalb die entsprechenden Bauteile resistenter gegen äußere Einflüsse sind.
In der Nahaufnahme kann man gut die „Umformung“ erkennen. Die Spitzen bzw. „Berge“ wurden in die „Täler“ gedrückt, sodass sich eine homogenere und auch glattere Oberfläche ergibt.
Komplettbearbeitung auf der Maschine
Die Firma KEMPF aus Reichenbach-Fils, die sich vor allem im Bereich der Entgratwerkzeuge und der gratfreien Bearbeitung direkt auf der Maschine einen Namen gemacht hat, bietet im Zuge der angestrebten Komplettbearbeitung auf der Maschine auch ein großes Portfolio an Rollier- und Diamant-Glattwalzwerkzeugen an.
Denn auch hier können nachgelagerte und zeitintensive Schleif- oder Polierarbeiten eingespart werden. Das Ziel ist die Komplettbearbeitung auf der Maschine – also vom Fräsen bzw. Drehen des Bauteils bis zum sprichwörtlichen „Finish“.
Die Diamant-Glattwalzwerkzeuge eignen sich hierfür besonders, da sie sehr flexibel in der Anwendung und je nach Typ kompakt in der Bauweise sind. Bei engen Platzverhältnissen kommen beispielsweise kurze Werkzeuge zum Einsatz, während für universelle Anwendungen verstellbare Diamant-Glattwalzwerkzeuge verwendet werden können.
ARCA Regler optimiert Kegelspindel-Fertigung durch Diamant-Glattwalzen
Von den aufgeführten Vorteilen konnte auch die Firma ARCA Regler GmbH profitieren. Der Spezialist für Regelventile und Ventilantriebe beschäftigt weltweit rund 500 Mitarbeiter. Die individuell hergestellten Regelventile kommen überall dort zum Einsatz, wo definierte Mischungsverhältnisse und regulierbare Strömungsdurchflüsse erforderlich sind.
Für die Herstellung der Kegelspindeln muss nach der Drehbearbeitung ein bestimmter Bereich eine absolut glatte Oberfläche aufweisen. Die spätere Lauffläche ist mit einem Dichtring ummantelt, sodass jede zu hohe Oberflächenrauheit zum Austritt von Hydraulikflüssigkeit führen kann.
Die aufgespannte Kegelspindel bei ARCA-Regler. Rechts die mit dem Diamant bearbeitete Oberfläche, links im Vergleich die unbearbeitete Oberfläche.
Früher wurde dieser Bereich nach der Drehbearbeitung aus der Maschine genommen und separat manuell bearbeitet. Die Ergebnisse waren ausreichend, die Bearbeitung jedoch wenig produktiv und sehr zeitintensiv. Mit der Integration eines Diamant-Glattwalzwerkzeugs in den Bearbeitungsprozess konnten bereits nach den ersten Versuchen deutlich bessere Rauheitswerte erzielt werden. Zusätzlich wurde ein aufwändiger Arbeitsgang eliminiert und der gesamte Bearbeitungsprozess flexibler gestaltet.
Ein unfertiges Regelventil bei der Endmontage: Die bereits eingebaute Kegelspindel dient hierbei als Hubantrieb. Das Stück mit der glattgewalzten Fläche befindet sich innerhalb (unterhalb) der kompletten Abdichtungsmanschette und sorgt dafür, dass bei der Hubbewegung eine absolute Dichtheit nach Außen garantiert wird. Wäre die Oberfläche zu rau (uneben), würde Hydraulikflüssigkeit austreten.
Ersatz für aufwändiges Schleifen und Polieren
Die große Flexibilität dieser Werkzeuge war auch für die Firma PMW Präzisionsmechanik GmbH ausschlaggebend. Das Unternehmen beliefert Kunden aus verschiedenen Branchen, darunter Automobilbau, Luftfahrt sowie Maschinen- und Getriebebau.
Bei einer Stahlscheibe mit einem Durchmesser von 320 mm und einem Gewicht von rund 13 kg war für die Mantelfläche eine Oberflächenanforderung von Rz 1 µm gefordert. Im Produktionsprozess wurde zunächst lediglich ein Rz-Wert von 3,5 µm erreicht, sodass ein nachträgliches Glätten erforderlich war. Dieses wurde bisher durch Schleifen und langwierige Polierprozesse realisiert.
Aufspannsituation bei der Bearbeitung der Stahlscheibe: Durch den großen Durchmesser blieb nur wenig Platz für das Diamant-Glattwalzwerkzeug. Aus diesem Grund kam hier das kompakte SMDBS3 Werkzeug mit lediglich 125 mm Gesamtlänge zum Einsatz.
Unter 0,8 µm Rz auf Anhieb
Da immer wieder Zwischenmessungen notwendig waren und gleichbleibende Ergebnisse nicht erreicht wurden, suchte das Unternehmen nach einer Alternative. Gemeinsam mit KEMPF wurde ein kompaktes Diamant-Glattwalzwerkzeug ausgewählt und in den Bearbeitungsprozess integriert.
Das Ergebnis übertraf alle Erwartungen. Ohne langwierige Versuche wurde sofort ein Rz-Wert von unter 0,8 µm erzielt. Das kostengünstige Werkzeug ersetzte zeit- und kostenintensive Nachbearbeitungen, sicherte eine gleichmäßige Qualität und erhöhte die Prozesssicherheit erheblich.
Die spiegelglatte Mantelfläche, die kaum breiter als ein 5 Cent Stück ist, wurde auch an der angewinkelten Fläche mit dem Diamant-Glattwalzwerkzeug bearbeitet. Durch den kleinen Radius des Diamanteinsatzes sind auch solche Bearbeitungen kein Problem.
Ritzelwelle: Oberflächenqualität auf neuem Niveau
Typischer Anwendungsfall: Eine Ritzelwelle aus legiertem Stahl mit 10 mm Durchmesser sollte auf einer Länge von 16 mm rolliert bzw. glattgewalzt werden.
Nach der Vorarbeit wurde lediglich ein Rz-Wert von 6 μm erreicht, wohingegen ein finaler Rz-Wert von 4 μm gefordert war, der durch die Drehbearbeitung aber nicht prozesssicher erzielt werden konnte. Nach dem Einsatz des Werkzeugs DB1 mit Sechskantschaft und den Schnittwerten Vc = 120m/min, f = 0,1mm/U wurde schließlich ein Rz-Wert von 1,04 μm erreicht.
Diamant-Glattwalzwerkzeuge ideal bei Planflächen
Besonders gut eignen sich Plan-Diamant-Glattwalzwerkzeuge für die Bearbeitung größerer Planflächen, beispielsweise auf Bearbeitungszentren. Die Werkzeugtypen DBFM63, DBFM80, DBFM100 und DBFM125 besitzen mehrere federgelagerte Diamanteinsätze, die genau aufeinander abgestimmt sind. So lassen sich Oberflächen direkt nach der Fräsbearbeitung in einem Arbeitsgang prozesssicher glätten und verdichten. Die Werkzeuge bestehen aus einem Werkzeuggrundkörper und austauschbaren Diamanteinsätzen. Dadurch sind sie wirtschaftlich und bei nahezu allen Materialien einsetzbar – von Kohlenstoffstahl über Werkzeugstahl und Gusslegierungen bis hin zu Eisen- und Nichteisenmetallen.
Die Diamanten ermöglichen hochqualitative Oberflächengüten bei gleichzeitiger Verdichtung. So kann beispielsweise bei Grauguss ein ursprünglicher Ra-Wert von 2–3 µm auf einen Endwert von 0,2–0,4 µm reduziert werden.
Ein kleiner Überblick über die verschiedenen Diamant-Glattwalzwerkzeuge – links das Plan-Diamant-Glattwalzwerkzeug DBFM63 mit einem Lochkreisdurchmesser von 63 mm und einem Gesamtdurchmesser von 90 mm für kleinere Planflächen. Rechts daneben der Typ DB3 und der etwas kleinere DB1, die hauptsächlich für die Außenbearbeitung von rotierenden Werkstücken gedacht sind. Ganz rechts das Universal-Glattwalzwerkzeug, welches so konzipiert ist, dass der Diamantkopf um 180 Grad verstellbar ist. Diese Eigenschaft bietet sich idealerweise zur Bearbeitung von Komponenten in Kleinserien an, wo spezialisierte Werkzeuge nicht zum Einsatz kommen. Diese Werkzeuglösung bietet größte Flexibilität beim Glattwalzen großer Bohrungswandungen, Außendurchmesser, Kegel und Flächen.
Glänzende Ergebnisse mit System
Diamant macht sich also nicht nur als Schmuckstück gut, sondern sorgt auch dafür, dass Werkstücke glänzen wie ein Diamant – und das oft kostengünstiger, als man denkt. Die Firma KEMPF kann hierbei auf ein großes Portfolio an Cogsdill-Diamant-Glattwalzwerkzeugen zurückgreifen und für nahezu jede Anwendung die passende Werkzeuglösung bereitstellen.