Motivation
Beim konventionellen Wirbeln kommt ein Werkzeug mit innenliegenden Schneiden zum Einsatz, das sich mit hoher Drehzahl um die langsam rotierende Schraube dreht. Der Gewindegang wird durch die innen liegenden Schneiden hergestellt. Der Wirbelkopf muss dabei das gesamte Material zwischen dem Rohmaterialdurchmesser und dem Kerndurchmesser des Gewindes entfernen. Dadurch unterliegen die Schneiden einem sehr hohen Verschleiß. Ein weiterer Nachteil ist die sehr geringe Drehzahl der Schraube, da keine parallelen Bearbeitungsoperationen möglich sind. Drehoperationen wie die Bearbeitung des Schraubenkopfs müssen der Gewindeherstellung nachgelagert erfolgen.

Innovation
Im Verbundprojekt GeWinDe wurde das synchrone DrehwirbelVerfahren entwickelt. Die Innovation besteht in der signifikanten Erhöhung der Drehzahl des Werkstücks. Im Gegensatz zum herkömmlichen Wirbeln werden die Werkstück- und Werkzeugdrehzahl entsprechend dem Verhältnis von Gewindegängen und Schneidenanzahl synchronisiert. Das Werkstück rotiert zwischen zwei Schneideneingriffen mit einer ganzzahligen Anzahl an Umdrehungen um die eigene Achse. Das führt zu einer Erhöhung der Werkstückgeschwindigkeit, sodass eine parallele Dreh- bearbeitung möglich ist. Durch diese parallele Bearbeitung wird das Material zwischen Rohteildurchmesser und Außendurchmesser des Gewindes entfernt. Das Wirbelwerkzeug schneidet somit nur noch die Gewindegänge. Auf diese Weise lassen sich das Spanungsvolumen, die Prozesskräfte und damit der Schneidenverschleiß am Wirbelkopf deutlich verringern. Zudem umschlingt die Werkzeugbahn das Werkstück noch enger, der Werkzeugeingriff wird länger und die Spanungsdicke sinkt. Und während sich das Spanungsvolumen verringert, steigen die Vorschubgeschwindigkeiten und die Produktivität.

Zusammenfassend ergeben sich folgende Vorteile durch das Drehwirbeln:

› Parallelisierung von Drehen und Wirbeln

› Reduzierung des vom Wirbelkopf zu entfernenden Materialvolumens

› Reduzierung von Werkzeugverschleiß am Wirbelkopf

› Produktivitätssteigerung durch Vorschuberhöhung

› Geringere kinematische Rauheit durch vergrößerten Umschlingungswinkel der Schneiden zum Werkstück

Ergebnisse
Das neu entwickelte Drehwirbel-Verfahren weist aufgrund seiner Effizienz und Robustheit deutliche Vorteile gegenüber dem konventionellen Wirbeln auf.

Anwendungsbeispiel Medizintechnik: Herstellung von Knochenschrauben Zur Implementierung des Drehwirbelns in bestehende Fertigungsanlagen von Knochenschraubenherstellern wurde ein Programm entwickelt, das die Auslegung der Schrauben geometrie und der Prozessparameter ermöglicht.

Eine generelle Voraussetzung für das Wirbeln ist, dass die resultierende Schnittgeschwindigkeit aus Werkstück- und Werkzeugbewegungen in Richtung des Gewindeganges zeigt. Dies ist beim konventionellen Wirbeln der Fall, da der Anstellwinkel dem Steigungswinkel des Gewindes entspricht. Beim Drehwirbeln ist die Drehgeschwindigkeit der Schraube stark erhöht, was die resultierende Schnittgeschwindigkeit beeinflusst. Daher ist beim Drehwirbel-Verfahren eine entsprechende Anpassung des Anstellwinkels des Wirbelkopfs erforderlich. Aufgrund dieser neuen Prozesskinematik ergibt sich eine veränderte Eingriffssituation der Schneiden am Bauteil. Die überlagerten Rotationen von Werkstück und Werkzeug beim synchronen Drehwirbeln führen im Vergleich zum konventionellen Wirbeln zu einer größeren Umschlingung des Werkstücks. Daraus ergibt sich im Vergleich zum konventionellen Wirbeln ein verlängerter Eingriffsweg der Schneiden. Die kinematische Rauheit und die durchschnittliche und maximale Spanungsdicke sinken signifikant.

Diese Ergebnisse sind mit einer für das Projekt entwickelten Abtragsimulation abgebildet, die es auch ermöglicht, die entstehenden Schnittbedingungen zwischen Werkstück und Werkzeug zeitlich und räumlich zu untersuchen, beispielsweise zur Bestimmung der Variation der Spanungsdicke und der tatsächlichen Span- und Freiwinkel während der Bearbeitung. Mit diesen Erkenntnissen können weitere Prozessoptimierungen erfolgen, um möglichst konstante Zerspanungsbedingungen über den gesamten Werkzeugeingriff zu gewährleisten.

Kürzere Fertigungszeiten und längere Werkzeuglebensdauer

Mit der Implementierung des Prozesses auf einen Langdrehautomaten konnten die in den Simulationen ermittelten Erkenntnisse experimentell validiert werden. In diesen Untersuchungen konnte mit dem Drehwirbeln eine deutliche Leistungssteigerung bei der Herstellung von Knochenschrauben aus dem schwer zerspanbaren Material Titan (Ti6Al4V) erzielt werden. Die Vorschübe, die beim synchronen Drehwirbeln erreicht werden können, sind deutlich größer als beim konventionellen Wirbeln. Dies ist möglich, ohne die Schneiden stärker zu belasten oder die kinematische Rauheit zu erhöhen. Durch die gleichzeitige Drehbearbeitung konnte zudem die Prozesszeit weiter verkürzt werden. Daraus resultieren kürzere Fertigungszeiten bei gleichbleibender Oberflächenqualität des Werkstücks sowie eine längere Werkzeuglebensdauer. Das Drehwirbeln bietet daher für die Herstellung von gewindeartigen Bauteilen deutliche Vorteile, die sich insgesamt in einer Reduzierung der Fertigungszeiten und somit auch der Kosten widerspiegeln.

https://www.phorn.de/presse/publikationen/media/world-of-tools/