Wie Horn und Mazak bei der Hochglanzbearbeitung unterstützen

Für die Komplettbearbeitung eines Ventilblocks setzt die Walter Schumacher Impuls Technik GmbH, kurz SIT, auf ein Diamantwerkzeug der Paul Horn. Mit dem Werkzeugsystem DTM wurde eine Oberflächengüte von Ra 0,012 Mikrometer erzielt. Firmengründer Walter Schumacher erklärt: „Wir sind in die Branchen reingegangen, von denen andere die Finger gelassen haben.“ Zusammen mit seinem Sohn Stefan leitet er das Unternehmen Walter Schumacher Impuls Technik.

Das ist das Anwenderunternehmen SIT

Fast 40 Jahre hohe Qualität in der Ventiltechnik hat Walter Schumacher einen festen Kundenstamm in nahezu allen Branchenbereichen ermöglicht. Das Hauptbetätigungsfeld liegt in der Herstellung von Sonderventilen und kundenspezifischen Insellösungen. Entwicklung, Fertigung und Vertrieb liegen in einer Hand. SIT bietet seinen Kunden kurze Durchlaufzeiten vom ersten Kontakt bis zum fertigen Produkt, dadurch niedrige Kosten und direkten Zugang zu allen Entscheidungsträgern.

Der Einsatz moderner Maschinen und speziell ausgebildetes Personal erlauben es dem Unternehmen, Großserien sowie Einzelgeräte in gleichbleibender Qualität und entsprechend den individuellen Kundenanforderungen herzustellen. Jedes Ventil wird einer Qualitätskontrolle unterzogen. Dabei werden Verarbeitung, Leistung und Dichtheit – auf Wunsch bis hin zum Heliumlecktest mittels Prüfprotokoll sorgfältig geprüft, bevor die Ware dem Versand übergeben wird. Geprüfte Baugruppen, die neben Ventilen auch Bauteile wie Durchflussregler, Filter, Überdruckventile und Druckmessumformer enthalten, erreichen die SIT-Kunden ebenso wie Einzelventile.

Spezialisiert hat sich das Unternehmen auf die Entwicklung und Fertigung von Sonderventilen und Ventilinsellösungen, welche in zahlreichen Branchen zum Einsatz kommen. Das Produktspektrum reicht über Ventile von Hochvakuum bis zu solchen mit Drücken bis zu 800 bar, und das für alle Arten von Medien. Eine dieser Sonderlösungen aus Aluminium besteht aus mehreren Heliumventilen, diversen Sensoren, Überdruckventilen und Drosseln, welche verschiedene Drücke regeln beziehungsweise steuern.

Dabei hervorzuheben ist die Oberflächengüte der Anschlussflächen, die die Funktion im späteren Einsatz in der Analysetechnik sicherstellt. Eine Oberflächengüte von Ra 0,012 Mikrometer erreichte SIT mit Hilfe eines Diamantwerkzeugs der Paul Horn und einer Investition in ein neues Dreh-Fräszentrum des Maschinenherstellers Mazak.

Herstellung eines anspruchsvollen Ventilblocks stellt die Fertigung vor Herausforderungen

„Unsere Oberflächenvorgabe lag beim Start des Projektes bei Ra 0,02 Mikrometer“, sagt Stefan Schumacher. Die Oberflächengüte des Ventilblocks spielt eine entscheidende Rolle. Sie dient als Dichtfläche für die Anschlüsse der Ventilbaugruppen. „Die Abdichtung von Hydraulikventilen mit Öldrücken von rund 450 bar ist technisch relativ einfach umsetzbar.

Bei Ventilen für den Durchfluss von Helium oder anderen Gasen und Drücken bis zu 800 bar ist das technisch eine sehr hohe Herausforderung, der sich nicht viele stellen“, beschreibt Walter Schumacher. Selbst bei technischer Perfektion ist es nicht möglich, die Verbindungen zu 100 Prozent abzudichten. Die Undichtigkeit liegt bei einem Wert von 1x10^-7. Aus diesem Grund spielt die nahezu perfekte und hochglänzende Oberfläche des Ventilblocks eine Schlüsselrolle.

Bei der Herstellung des Ventilblocks setzte man bei SIT vor der Umstellung auf ein eigens entwickeltes Polierverfahren, das an die spanende Fertigung anschließt. Der zeitliche und personelle Aufwand der Nacharbeit stellte jedoch einen Grund zur Optimierung dar. Dazu fehlte SIT noch die passende Maschine.

Ein Teil der Lösung: ein Dreh-Fräszentrum Integrex i-200ST von Mazak

Nach dem Umzug in den neu erbauten Firmensitz war die Investition in ein neues Dreh-Fräszentrum bereits in Planung, die Auswahl des Maschinenherstellers stand jedoch noch an. „Wir sind mit unseren Bedürfnissen an ein paar Maschinenhersteller herangetreten. Mazak hat sofort ein hohes Interesse gezeigt und schlug die Komplettbearbeitung des Ventilblocks vor“, so Stefan Schumacher.

Die Entscheidung fiel auf das Dreh-Fräszentrum Integrex i-200ST. Die Konstruktion der Integrex ist auf Steifigkeit und Stabilität ausgelegt, die Spindel läuft ruhig und schwingungsarm. Neben der Maschine konstruierte Mazak und ein weiterer Partner die Spannvorrichtung für den 300 Millimeter langen, 110 Millimeter breiten und 30 Millimeter hohen Ventilblock.

Die Aufnahme der Vorrichtung erfolgt direkt am Spindelflansch, an dem normalerweise das Spannfutter montiert ist. Die Anzahl der Aufspannungen konnte von zuvor neun auf nur noch zwei Aufspannungen reduziert werden.

Der zweite Teil der Lösung: das Frässystem DTM von Horn

Nachdem das Maschinenkonzept feststand, ging es an die Werkzeugplanung. „Nach dem ersten Kontakt und der Beschreibung der Bearbeitungsaufgabe wurde mir schnell klar, die Finish-Bearbeitung mit unserem Frässystem DTM zu lösen“, erzählt Horn-Produktmanager Jürgen Schmid. Bestückt ist das Werkzeug mit einer Schneide aus monokristallinem Diamant (MKD). Die zweite Schneide ist mit PKD bestückt und dient als Vorschneider für das definierte Aufmaß von 0,02 Millimeter für den MKD.

„Neben Horn war noch ein anderer Werkzeughersteller als Alternative im Rennen“, berichtet Seniorchef Walter Schumacher. „Horn hat die Aufgabe jedoch im ersten Versuch gelöst, der andere Hersteller benötigte drei Anläufe. Unsere Wahl war dann eindeutig. Nicht nur, weil uns das Ergebnis sofort zufriedenstellte, sondern weil uns das Know-how überzeugt hat. Des Weiteren haben wir auch noch weitere Werkzeugsysteme der Tübinger im Einsatz und sind damit sehr zufrieden.“

Die Oberfläche, die das Werkzeugsystem DTM von Horn gefräst hat, erreichte einen Messwert von Ra 0,012 Mikrometer.

Das sind die technischen Details des Werkzeugsystems DTM

Der Grundkörper hat einen Durchmesser von 125 Millimeter. Bestückt ist dieser mit zwei Schneiden. Eine MKD-Schneide und ein PKD-Vorschneider, die im Fräskörper gegenüberliegend verschraubt sind. Die sechs freien Plattensitze sind mit Hartmetall-Wuchtplatten bestückt. Für den schwingungsfreien Lauf des Werkzeugs ist dieses bei Horn feingewuchtet worden.

Die Plattensitze des DTM-Fräsgrundkörpers lassen sich in axialer Richtung über einen Verstellbolzen einstellen. Pro 10-Grad-Drehung am Bolzen verstellt sich der Plattensitz um 0,01 Millimeter. Der Planlauf der einzelnen Schneiden lässt sich somit µm-genau einstellen. Die innere Kühlmittelzufuhr stellt die zielgerichtete Kühlung der Kontaktzone sicher und ermöglicht eine effiziente Spanabfuhr. Der Aluminiumgrundkörper ist durch seine geringe Masse spindelschonend und ermöglicht einen geringeren Energieaufwand im Gegensatz zu Stahlgrundkörpern.

Wie die Fertigung des Bauteils mit zahlreichen Bohrungen ablief

„Eine Schwierigkeit waren die zahlreichen Bohrungen auf der zu bearbeitenden Fläche. Das Hochglanzfräsen muss zwingend die letzte Bearbeitung sein, da ansonsten sehr feine Späne vom Bohren, Reiben und Gewindefräsen die spiegelnde Oberfläche beschädigen würden“, erklärt Schmid. „Selbst bloße Fingerabdrücke können die Dichtfläche im späteren Einsatz unbrauchbar machen“, ergänzt Stefan Schumacher.

Der unterbrochene Schnitt durch die Bohrungen stellte für das Horn-Werkzeug kein Problem dar. Für die Bearbeitung fährt der Fräser einmal längs mit einer Drehzahl von n = 5.000 1/min und mit einem Vorschub von v_f = 500 mm/min über das Werkstück. Die Schnittgeschwindigkeit liegt bei v_c = 1.960 m/min. Um das Nachschneiden des Fräsers zu verringern, ist das Werkzeug mit einem minimalen Vorhaltewinkel von 0,008 Grad angestellt. Zur Kühlung kommt eine handelsübliche Emulsion zum Einsatz.

„Wir sind mit der Leistung des Werkzeugs sehr zufrieden. In der Serie erreichen wir nun Oberflächengüten zwischen Ra 0,012 bis Ra 0,014 Mikrometer“, resümiert Stefan Schumacher.

Spiegelglanz: Warum die Schneidkanten des Werkzeugs entscheidend sind

Um Oberflächengüten mit Spiegelglanz zu erzeugen, spielt die Qualität der Werkzeugschneidkante eine entscheidende Rolle. Die Qualität der Schneidkante spiegelt sich in der zu bearbeitenden Oberfläche wider. Der finale Schliff beziehungsweise die Politur der MKD-Schneide gleicht Handwerkskunst. Ähnlich wie beim Schliff eines Schmuck-Brillanten geschieht das Finishing einer Werkzeugschneide für die Hochglanzzerspanung mit einer Schleifzange von Hand.

Optimale Voraussetzungen zum Schleifen der Schneiden ermöglichen luftgelagerte Schleiftische mit einer Tischplatte aus massivem Granit. Für die optische Kontrolle wird ein Mikroskop mit 200-facher Vergrößerung genutzt. Unter dieser Vergrößerung muss die Schneidkante absolut schartenfrei sein. Für das Schleifen von MKD-Kugelfräsern zur Hochglanzzerspanung von Freiflächen entwickelte Horn eine Schleifmaschine, mit der sich auch Durchmesser von bis zu 0,2 Millimeter prozesssicher schleifen lassen.

Bei SIT setzt man seit rund 20 Jahren auf Lösungen des Werkzeugherstellers. „Die Zusammenarbeit für die Fertigung des Ventilblocks hat uns wieder gezeigt, warum wir Horn als Werkzeugpartner haben. Das Know-how überzeugt uns. Hervorheben möchten wir auch die gemeinsame Zusammenarbeit mit Mazak-Technikern. Alle Beteiligten haben Hand in Hand gearbeitet und alles gegeben, um unsere Zerspanungsaufgabe auf diesem Top-Niveau zu lösen“, sagt Walter Schumacher.

Quelle: Paul Horn GmbH