Ziel der Entwicklung

Die Bohrungsbearbeitung zählt in zahlreichen Bereichen der Metallverarbeitung zu den zentralen spanenden Fertigungsverfahren. Neben der Herstellung einfacher Bohrungen steht insbesondere die Fertigung hochpräziser Funktionsbohrungen im Fokus. Diese erfordert eine hohe Maß-, Form- und Lagegenauigkeit sowie definierte Oberflächenqualitäten und eine fehlerfreie Oberflächenrandzone. Solche Anforderungen bestehen beispielsweise bei Öl- und Kühlkanälen von Verbrennungsmotoren, Hydraulikkomponenten und Präzisionsbauteilen der Automobil- und Luftfahrtindustrie, der Energietechnik sowie zunehmend der Pharma- und Lebensmittelindustrie. Insbesondere bei Führungs-, Schieber- und Stellelementen sind dabei Fertigungstoleranzen im Mikrometerbereich einzuhalten. Für die Herstellung hochpräziser Bohrungen mit hohen Oberflächengüten werden derzeit überwiegend konventionelle Schleifprozesse mit Korund-Schleifwerkzeugen eingesetzt. Diese ermöglichen zwar eine hohe Bearbeitungsqualität, sind jedoch häufig mit hohen Zeit-, Energie- und Kostenaufwänden verbunden. Die erforderlichen mehrstufigen Prozessketten führen zudem zu einer geringeren Prozessflexibilität und verursachen ökologische Nachteile, beispielsweise durch den Einsatz von Kühlschmierstoffen und die Entstehung von Schleifschlamm. Die Substitution konventioneller Schleifoperationen durch spanende Bearbeitungsverfahren mit geometrisch bestimmter Schneide bietet Vorteile insbesondere in kürzeren Bearbeitungszeiten, einem reduzierten Energie- und Ressourcenbedarf, geringeren Fertigungskosten und vereinfachten Prozessketten. Gleichzeitig können Schleifschlamm und dessen aufwendige Entsorgung vermieden werden. Die Reduzierung der erforderlichen Bearbeitungsschritte trägt zusätzlich zu einer höheren Prozesseffizienz und Ressourcenschonung bei. Seitens der Industrie besteht daher ein Bedarf an Werkzeugkonzepten, die eine kombinierte Ausbohr- und Finishbearbeitung mit Maß-, Form- und Oberflächenqualitäten auf Schleifniveau ermöglichen und gleichzeitig Produktivität, Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit steigern. Gleichzeitig soll die Flexibilität durch die wirtschaftliche Bearbeitung eines möglichst breiten Spektrums schwer zerspanbarer Werkstoffe erhöht werden. Anwendungsoptimierte Schneidstoffe, Schneidengeometrien und Beschichtungssysteme bieten hierfür ein hohes Potenzial. Vor diesem Hintergrund zielte das Projekt auf die Entwicklung von Kombinationswerkzeugen, die das Schleifen durch eine spanende Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide ersetzen. Durch die Kombination von Ausbohren und Reiben in einem Werkzeug sollten Werkzeugwechsel, Haupt- und Nebenzeiten sowie Ausrichtungs- und Umspannfehler reduziert werden. Dadurch sollten Prozesssicherheit, Maßhaltigkeit und Werkzeugstandzeit verbessert werden. Ziel war die Entwicklung wirtschaftlicher und prozesssicherer Lösungen für die hochpräzise Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe. Darauf aufbauend sollte eine Technologie zur Finishbearbeitung hochpräziser Bohrungen für unterschiedliche Anwendungsbereiche erarbeitet werden. Dabei standen eine genaue Positionierung, die sichere Einhaltung von Toleranzen und Passmaßen sowie eine hohe Oberflächenqualität von Ra < 3 µm im Fokus. Wesentliche Projektschwerpunkte waren die modulare Werkzeugauslegung, die Optimierung der Schneidenmikrogeometrie sowie die Entwicklung einer anwendungsspezifischen PVD-Hybridbeschichtung. Hierzu wurden mehrstufige Werkzeuge mit wechselbaren Segmenten und hochgenauen Schnitt- bzw. Koppelstellen zum Ausbohren und Reiben entwickelt. Darüber hinaus wurde die Schneidenmikrogeometrie des Reibsegments an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Die optimierte Vor- und Nachbehandlung sowie die gezielte Abstimmung der Beschichtung sollten eine hohe Bearbeitungsqualität, Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit gewährleisten.

Vorteile und Lösungen

Im Rahmen des Projekts wurden neue Kombinationswerkzeuge für die qualitätsgerechte Aufbohr- und Reibbearbeitung von Bauteilen aus gehärtetem Stahl entwickelt, hergestellt und erfolgreich erprobt. Die Werkzeuge kombinieren ein Ausbohrsegment mit einem Reibsegment und ermöglichen beide Bearbeitungsschritte mit nur einem Werkzeug. Die technische Machbarkeit der Werkzeugkonzepte konnte nachgewiesen werden. Im Projektverlauf wurden verschiedene Varianten entwickelt und entlang der gesamten Prozesskette systematisch optimiert. Die Entwicklungsarbeiten umfassten die Anpassung der Werkzeugmakrogeometrie, die Auslegung der Schneidenmikrogeometrie sowie die Auswahl und Optimierung von Beschichtung und Schichtnachbehandlung. Ein besonderer Fokus lag auf der Optimierung des Reibsegments zur Erzielung einer hohen Bearbeitungsqualität. Als besonders erfolgreich erwiesen sich zwei Ausführungen: 1. Modular aufgebautes Kombinationswerkzeug - diese Variante kombiniert ein Ausbohrsegment aus vorvergütetem Werkzeugstahl mit einem beschichteten Reibsegment aus Feinstkornhartmetall. Der modulare Aufbau ermöglicht den flexiblen Austausch einzelner Komponenten und reduziert durch den Einsatz von Werkzeugstahl anstelle von Vollhartmetall den Werkstoff- und Ressourcenverbrauch. 2. Monolithisches Kombinationswerkzeug - beim monolithischen Kombinationswerkzeug sind Ausbohr- und Reibsegment in einem Werkzeugkörper integriert. Der Verzicht auf eine Koppelstelle gewährleistet hohe Steifigkeit und Positioniergenauigkeit. Die durchgängige Beschichtung sorgt für gleichmäßigen Verschleißschutz und eine hohe Leistungsfähigkeit. Das monolithische Kombinationswerkzeug weist folgende Konfiguration auf: • Kombinationswerkzeug: Ausbohrsegment z = 1; Reibsegment z = 6 • Schneidstoff: Hartmetall • Werkzeugdurchmesser: D = 16 mm • Schneidkantenverrundung: rß = 8 µm (Schleppschleifen) • PVD-Schicht: optimierte Quadschicht AlTiCrN4 (ALL4) • Schichtnachbehandlung: Schleppschleifen mit anschließendem Mikrostrahlen. Mit den optimierten Kombinationswerkzeugen und Bearbeitungsparametern konnten die Entwicklungsziele hinsichtlich Oberflächen-, Maß- und Formgenauigkeit erreicht und gegenüber den Referenzwerkzeugen verbessert werden. Bei der Bearbeitung von gehärtetem 51CrV4 (52 HRC) wurde die Oberflächenrauheit von Ra = 0,4–0,5 µm auf bis zu Ra = 0,2 µm reduziert und damit eine Bohrungsqualität im Bereich der Schleifqualität erzielt. Zudem wurden Zylindrizitätswerte von 5–6 µm erreicht. Die besten Ergebnisse wurden bei vc = 15 m/min und f = 0,05 mm erzielt. Die gewählten Parameter ermöglichen eine prozesssichere und qualitativ hochwertige Bearbeitung für Ausbohr- und Reiboperationen. Insgesamt konnte die technische Machbarkeit der entwickelten Kombinationswerkzeuge für die qualitätsgerechte Bearbeitung gehärteter Stahlwerkstoffe nachgewiesen werden. Durch die gezielte Werkzeugauslegung und Optimierung der Bearbeitungsparameter lassen sich hohe Bohrungsqualitäten hinsichtlich Oberflächen-, Maß- und Formgenauigkeit erreichen. Die Zusammenführung von Ausbohren und Reiben in einem Werkzeug ermöglicht zudem eine Reduzierung der Bearbeitungszeit, des Rüstaufwands und der Werkzeugwechsel. Dadurch kann die Prozesskette hinsichtlich Produktivität und Wirtschaftlichkeit optimiert werden. Insbesondere bei mittleren und hohen Stückzahlen stellen Kombinationswerkzeuge damit eine wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Bearbeitungsverfahren wie dem Schleifen dar. Die entwickelten Werkzeugvarianten bilden eine geeignete Grundlage für weiterführende Untersuchungen und eine industrielle Umsetzung.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelten Kombinationswerkzeuge ermöglichen eine Verkürzung der Prozessketten und die Substitution aufwendiger Schleifbearbeitungen. Sie bieten insbesondere für den Maschinen- und Werkzeugbau, die Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Energietechnik ein breites Anwendungspotenzial. Zentrale Zielgruppen sind Werkzeughersteller, Beschichter und Anwender von Zerspanwerkzeugen. Die entwickelten Lösungen können von mittelständischen und internationalen Unternehmen weiterentwickelt und als Standardwerkzeuge in die Serienproduktion überführt werden. Dadurch entstehen Potenziale für Kostensenkungen, wirtschaftliche Vorteile und zusätzliche Umsätze. Transfer der FuE-Ergebnisse - die Projektergebnisse werden durch Fachvorträge, Fachpublikationen, die GFE-Internetseite, Workshops und nationale sowie internationale Fachmessen an interessierte Fachkreise vermittelt. Das umfangreiche Netzwerk der GFE zu Werkzeugherstellern, -anwendern und Unternehmen der Fertigungsindustrie unterstützt dabei den breiten Ergebnistransfer. Darüber hinaus werden die Erkenntnisse über Mitgliederversammlungen, Fachveranstaltungen und Demonstrationen im Versuchsfeld an KMU und Großunternehmen verschiedener Industriezweige weitergegeben. Insbesondere die Schmalkalder Werkzeugtagung und das IFP – Innovationsforum Präzisionswerkzeuge bieten geeignete Plattformen zur Präsentation und Diskussion der entwickelten Lösungen. Damit bestehen gute Voraussetzungen für eine breite Verbreitung und wirtschaftliche Verwertung der Projektergebnisse. Zu erwartende wirtschaftliche Effekte - für die GFE werden wirtschaftliche Effekte insbesondere durch Kostenreduktion in der eigenen Fertigung (wenn von kostenintensiveren Schleifprozessen auf die Bearbeitung mit geometrisch bestimmter Schneide gewechselt werden kann), durch Dienstleistungen und weiterführende Forschungs- und Entwicklungsaufträge erwartet. So besteht zum einem die Möglichkeit in der Herstellung und dem Verkauf von in der GFE hergestellten Kleinserien- und Musterwerkzeugen. Zudem bilden gezielte Kundenkontakte der GFE mit dem Bestreben weiterer Auftrags- und Projektakquisitionen bzgl. der Nutzung der neuen Werkzeuge und Technologien auch die Grundlage für Neuentwicklungen und Forschungsvorhaben.