Gewindebearbeitung in der Automobilindustrie

Leistungssteigerung durch richtiges Bearbeitungsverfahren


Bei der Herstellung von Fahrzeugbauteilen scheint im Verhältnis zur gesamten spanenden Bearbeitung die Gewindeherstellung in einem vergleichsweise nur geringen Anteil stattzufinden.  Näher betrachtet erkennt man, dass aufgrund der Menge herzustellender Gewinde mit richtig gewählten Bearbeitungsverfahren erhebliche Einsparungen zu erzielen sind.   

Zur Herstellung von Innengewinden am Motor, dessen Anbauteilen und dem Antriebsstrang, gibt es verschiedene Bearbeitungsverfahren. Die richtige Wahl ist abhängig von Losgröße und Werkstoff, der verwendeten Maschine sowie den Anforderungen an die Verschraubung, wie etwa ob ein Gewinde bis nahe an den Bohrungsgrund reicht oder  ein Gewindeanfang mit vollem Profilgang erforderlich ist.


Zusammenfassende Gegenüberstellung


Neben dem klassischen Gewindebohren ist auch das Gewindefräsen möglich. Beides sind spanende Bearbeitungsverfahren. Außerdem gibt es das Gewindeformen, das oft auch als Gewindefurchen bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um ein spanloses, umformendes Verfahren. Dadurch entfällt die Problematik der Spanabfuhr, sowie die aufwendige Bauteilreinigung zur Entfernung der Späne. Die Gewinde werden ohne Unterbrechung des sogenannten Faserverlaufs hergestellt. Die Gewindeoberfläche wird verdichtet und dadurch glatter als beim Gewindebohren. Bei statischer Belastung ist die Gewindefestigkeit des geformten Gewindes identisch dem eines geschnittenen oder gefrästen, jedoch höher bei dynamischer Belastung. Deshalb wird das Gewindeformen - falls aufgrund der Bruchdehnung des verwendeten Materials möglich - gerne bei hoch belasteten Schraubverbindungen angewendet.

Gewindebohren und Gewindeformen sind auf allen Maschinen möglich. Zum Gewindefräsen hingegen benötigt man eine CNC-Maschine welche eine Schraubenlinieninterpolation durchführen kann. Die Gewinde werden hierbei in einem Umlauf erzeugt, wobei das rotierende Werkzeug gleichzeitig axial um den Betrag der Gewindesteigung verfährt. Dabei taucht der Gewindefräser exakt bis zur programmierten Gewindetiefe in das Kernloch ein. Das so genannte Überlaufen, wie man es vom klassischen Gewindebohren kennt, gibt es hier nicht und anders als Gewindebohrer und Gewindeformer benötigen Gewindefräser keinen Anschnitt. So ist mit dem Gewindefräsen als einzigem Verfahren ein Gewinde bis zum Bohrungsgrund möglich. Darüber hinaus können verschiedene Toleranzen mit demselben Werkzeug oder unterschiedliche Abmessungen mit gleicher Steigung bearbeitet werden. Es bleiben keine Spanwurzelreste im fertigen Gewinde und die Oberflächenqualität wird im Vergleich zum Gewindebohren verbessert. Sind maschinenseitig hohe Drehzahlen verfügbar, lassen sich bei großen Gewinden oder beim Bohrgewindefräsen in Aluminium, erhebliche Zeiteinsparungen erzielen. Kurze Späne und auf Anhieb einstellbare, wiederholbare Gewindetiefen sorgen für prozesssicheres Gewinden.

Ein weiterer Vorteil ist, dass das Gewindefräsen größerer Gewinde direkt in vorgegossenen Bohrungen anwendbar ist. Die Fertigbearbeitung der Kernlochbohrung ist nicht notwendig. Nahezu alle Materialien lassen sich bearbeiten. Ferner sind die Werkzeuge nachschleifbar.


Häufig eingesetzt


Bei großen Losgrößen erfolgt die Bauteilbearbeitung häufig auf Transferstraßen, was die Möglichkeiten der Gewindeherstellung auf das Gewindebohren sowie das Gewindeformen begrenzt. Hier sind es in der Regel einfache Vorschubeinheiten in den einzelnen Bearbeitungsstationen, die in Reihe oder im Kreis verknüpft sind. Während früher HSS-Gewindebohrer eingesetzt wurden, sind es heute oft solche aus Vollhartmetall. Diese bieten deutlich höhere Standzeiten, welche Kosteneinsparungen - bedingt durch weniger Maschinenstillstandzeiten für Werkzeugwechsel - ermöglichen.

Andere, konzeptionell sehr interessante Werkzeuge sind die Gewindeformer, wie etwa die  JEL®  MOREX  Varianten mit eingelöteten Hartmetallleisten. Bei den  JEL®  MOREX R  sind die Hartmetallleisten sogar austauschbar. Sie werden gerne wegen den vorher bereits beschriebenen Vorzügen eingesetzt, bieten aber darüber hinaus noch den Vorteil des flexiblen HSS-E-Schafts. Dieser kann kleine Fluchtungsfehler kompensieren, während das Hartmetall mit harten Drückkanten höchste Standzeiten bietet. Damit können sich in getakteten Sondermaschinen, wo Versatzproblematiken auftreten, die Werkzeugstandzeiten um ein Vielfaches erhöhen.


Aktuelle Herausforderungen


Im Kontrast zur Großserienfertigung ist die Bauteilbearbeitung, gerade in der Automobilindustrie, heute mehr und mehr geprägt von großer Modellvielfalt und schnelleren Innovationszyklen. Dies bedeutet, dass Losgrößen eher kleiner werden. Gleichzeitig werden zur Senkung der Bearbeitungszeiten immer schnellere Maschinen mit höheren Drehzahlen gefordert. Darüber hinaus resultieren aus den modernen Bauteilkonstruktionen selbst steigende Anforderungen an die Beschaffenheit und Ausführung von Gewinden. Dünner werdende Wandstärken erfordern die Erhöhung der nutzbaren Gewindetiefen oder es müssen Gewinde ohne den typischen Einlaufgrat hergestellt werden. Hinzu kommen besondere Herausforderungen, die etwa spezielle Werkstoffe oder Bearbeitungsverfahren, wie die Zerspanung unter Minimalmengenschmierung oder die Trockenbearbeitung, stellen. Der Trend geht also hin zur Fertigung auf CNC-Bearbeitungszentren, welche als Standalone-Maschinen oder verkettet eingesetzt werden. Damit öffnet sich die Möglichkeit, die überlegene Gewindefrästechnologie mit all ihren Vorteilen zu implementieren. Voraussetzung ist dafür jedoch, dass die Maschine eine Schraubenlinieninterpolation durchführen kann. Ein Feature, welches heute in den meisten Fällen vorhanden ist  und im Einzelfall nur noch aktiviert werden muss. Zudem lassen sich auf diesen Maschinen auch weitere Kombinationswerkzeuge einsetzen welche nicht nur axiale sondern auch zirkulare Bearbeitungsgänge durchführen. So sind Freiräume gegeben, um so viel wie mögliche Arbeitsgänge in einem Werkzeug unterzubringen.


Königsklasse der Gewindeherstellung

Gewindefräser sind bei der  KOMET GROUP  als  JEL®  Gewindefräser MKG (ohne Senker) und als  JEL®  Gewindefräser  MGF  (mit Senker) erhältlich. Sie eignen sich in der Vollhartmetallausführung für sämtliche Werkstoffe und in der Ausführung mit eingelöteten PKD-Schneiden für die Aluminiumbearbeitung. Gewindefräser  JEL®  TOMILL  (GWF) sind für größere Gewinde ab 20mm ausgelegt. Bohrgewindefräser sind Hartmetallkombinationswerkzeuge welche ein komplettes Gewinde in einem Arbeitsgang herstellen und dabei die Kernlochbohrung einschließlich 90°-Senkung und das Gewinde einbringen. Das Fräsen des Gewindes erfolgt in einem Umlauf wobei das Werkzeug gleichzeitig um den Steigungsbetrag verfährt.

Bohrgewindefräser in Vollhartmetall, blank oder beschichtet oder in PKD-Ausführung erlauben den Einsatz in unterschiedliche Werkstoffe.
Die Werkzeuge können auch für den Einsatz unter Minimalmengenschmierung (MMS) ausgelegt werden. Speziell zur Bearbeitung von vorgegossenen Bohrungen in Aluminium gibt es eine dreinutige Variante.

Eine Sonderbauform ist der  DBGF  als rein zirkular arbeitendes Werkzeug, das Kernloch und Gewinde Gang für Gang gleichzeitig herstellt. Mit seinem höheren Kernquerschnitt und den speziellen Bohrfrässchneiden ist der  DBGF  für tiefe Gewinde bis 3xD im Durchmesserbereich 6 bis 12 Millimeter ideal.

Im Zuge der allgemeinen technischen Entwicklung nimmt anwenderseitig der Anteil von Aluminiumwerkstoffen weiter zu. Werkzeugschneiden werden dafür vorzugsweise mit PKD bestückt. Dieser polykristalline Diamantschneidstoff ermöglicht die Bearbeitung im Bereich der Hochgeschwindigkeitszerspanung (HSC), die der Weiterentwicklung entsprechender Maschinen hinsichtlich Drehzahl noch großen Raum geben.

Bohrgewindefräser werden häufig auch als zentrale Werkzeuge in JEL®  VABOS  Werkzeugsystemen (Variables Bohr-, Senk- und Gewindefräs-System) eingesetzt. Diese modular aufgebauten Werkzeugsysteme sind vielfach anwendbar und erlauben zusätzlich zum Gewindefräsen bzw. Bohrgewindefräsen noch Kombinationen für Plansenkungen und Fasen im gleichen Arbeitsgang. Die Systeme bestehen aus einer Aufnahme mit einem zentralen Werkzeug und zusätzlich angeordneten Wendeschneidplatten.