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Effizientes Gewinde-Wirbeln durch synchrones Drehen

Das konventionelle Wirbeln ist ein spanendes Fertigungsverfahren zur Herstellung von Gewinden, mit dem hohe Oberflächengüten erzielt werden können, das aber aufgrund technologischer Randbedingungen eine geringe Produktivität aufweist. Das Verfahren wird für die Herstellung von medizinischen Produkten wie auch für die Herstellung von Getrieben in der Feinwerktechnik und im Maschinenbau eingesetzt. Aufgrund der steigenden Anforderungen an die Produktivität besteht seitens der Industrie ein hoher Bedarf an einer signifikanten Verbesserung des Fertigungsprozesses und einer wirtschaftlichen Fertigung.

Ausgangssituation:

Wirbelprozesse werden bislang zur Fertigung von gewindeartigen Bauteilen mit sehr hohen Oberflächengüten, wie zum Beispiel Knochenschrauben, eingesetzt. Das Wirbeln ermöglicht eine gratfreie Bearbeitung, bei der sehr kurze Späne entstehen. Das Werkstück bewegt sich während des Wirbelprozesses entlang der Gewindesteigung. Aufgrund der daraus resultierenden geringen Rotationsgeschwindigkeit können keine parallelen Bearbeitungsoperationen mit feststehenden Werkzeugen beispielsweise Drehoperationen durchgeführt werden. Dies hat zur Folge, dass das Volumen zwischen Gewindeaußendurchmesser und Kopfdurchmesser der Schrauben nicht durch eine Drehbearbeitung entfernt werden kann, sondern ebenfalls durch die Wirbelwerkzeuge abgetragen werden muss. Dies verringert die Produktivität des Verfahrens und führt zu hohen Prozesskräften, starkem Schneidenverschleiß und erschwert die Späneabfuhr.


Zielsetzung:

Das Forschungsprojekt hat das Ziel, ein synchrones Dreh-Wirbelverfahren zu entwickeln, mit dem die Prozess- und Fertigungszeiten verkürzt und Werkzeugstandzeiten erhöht werden. Mit dem Potenzial zur Verringerung des Abtragsvolumens soll gleichzeitig eine Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden. Das Kernziel ist hierbei mit einer erheblichen Steigerung der Drehzahl des Werkstücks parallel zum Wirbeln Drehoperation am Bauteil durchführen zu können. Dies reduziert die Prozesszeiten signifikant und verringert das von den Wirbelschneiden abzutragende Materialvolumen. Weitere Effekte für eine wirtschaftliche Fertigung, die sich mit dem Drehwirbeln realisieren lassen sind eine Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit und der Standzeit der Wirbelwerkzeuge.


Vorgehensweise:

Zur Erreichung dieser Ziele soll das konventionelle Wirbeln zum Dreh-Wirbelprozess weiterentwickelt werden. Im Projekt werden die Prozesskinematik analysiert und anschließend die Anpassung und Optimierung der Schneidenprofile an den Dreh-Wirbelprozess vorgenommen. Die technologischen Grundlagen zur Prozessauslegung werden in abstrahierten Prozessuntersuchungen erarbeitet und ein Simulationsprogramm zur Visualisierung und Auslegung des Prozesses aufgebaut.

Ergebniserverwertung:

Als Ergebnis steht mit dem Dreh-Wirbeln ein neues Verfahren zur Verfügung, das die Vorteile einer energieeffizienten und ressourcenschonenden Produktion demonstriert indem mehrere Bearbeitungsprozesse parallelisiert werden. Das Potenzial des Verfahrens wird am Demonstrator einer Knochenschraube aufgezeigt. Parallel dazu erfolgt zur weiteren Ergebnisverwertung eine Größenskalierung und Übertragung des Dreh-Wirbelns auf weitere Anwendungsfälle, wie z. B. Gewinde- und Kugelumlaufspindeln sowie Pumpenkomponenten.

Dieses Forschungs- und Entwicklungsprojekt wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) „Forschung für die Produktion von morgen“ gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.