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laser-Komplettbearbeitung von Schneidkanten, freiwinkeln und Span-leitstufen in pKd / CVd
Die Lasertec PrecisionTool-Baureihe der Gildemeister-Tochter Sauer demonstriert Vorteile der 5-Achs-Laserbearbeitung von ultraharten Schneidwerkstoffen wie PKD und CVD gegenüber konventionellen Schleif- oder Drahtschneideverfahren. So lassen sich beispielsweise aus-bruchsfreie Schneidkanten mit Radien von bis zu 2 µm problemlos und ohne kostenintensiven Werkzeugverschleiß herstellen.
WaS VERStEht man untER laSER?
Der Begriff Laser leitet sich aus dem engl. „Light Amplification by Stimulated Emission of Ra-diation“ ab und bedeutet direkt übersetzt „Lichtverstärkung
durch stimulierte Emission von Strahlung“ – sprich künstlich erzeugte Lichtstrahlen. Unter einem Laser versteht man mo-nochromatisches Licht mit ei-ner einzigen Wellenlänge sowie gleichförmiger Schwingung. In Form eines parallelen Licht-
strahls fast ohne Streuung, kann der Laser hohe Energiedichten fokussiert in ein Material ein-bringen und dieses thermisch beeinflussen. Je nach einge-brachter Energie, Leistung und verwendeten Prozessgasen er-laubt dieser thermische Eintrag ein Schneiden, Schweißen oder Abtragen des Materials. Dabei bestimmt zudem das Absorb-tionsverhalten des jeweiligen Materials, welche Wellenlän-ge des Lasers für die Bearbei-tung notwendig ist. Diamant eignet sich grundsätzlich sehr gut für die Laserbearbeitung. Der Kohlenstoff wird in CO2 umgewandelt und damit rück-standsfrei verbrannt. Die Här-te des Werkstoffes spielt dabei keine Rolle, was einen großen Vorteil gegenüber spanenden Verfahren darstellt.
EinSatZ dER laSERtEC pRECiSiontool-maSChinEn BEim KundEn
Die 5-Achs-Laserpräzisions-maschinen der Lasertec Preci-sionTool-Baureihe kommen je Fo
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Gra
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Abb.1: Laserbearbeitung
einer PKD
Spanleitstufe eines
Schaftfräsers
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FOKUS LASER & SUPERABRASIVES
nach Ausstattung und Options-umfang beim Ausschneiden von Schneidplatten, 3D-Abtragen von Spanleitgeometrien oder in der Präzisionsbearbeitung von Schneidkanten und Frei-winkeln zum Einsatz. So ver-wendet auch die in Innsbruck ansässige Tirotool Werkzeugsys- teme GmbH seit 2004 eine La-sertec 40 PrecisionTool und seit 2009 zusätzlich eine Lasertec 20 PrecisionTool für die Fertigung von hochwertigen Schneid-platten und Schaftfräsern aus den Diamantschneidstoffen PKD und CVD. Welche Vor-teile diese Fertigungstechnolo-gie gegenüber herkömmlichen Schleifverfahren hat, zeigt die Qualität der Produkte. „Wir er-zielen eine wesentlich höhere Güte der Schneidkante, weil es praktisch keine Ausbrüche im Material gibt“, sagt Werner Heumader, Geschäftsführer von Tirotool. Hinzu kämen die freie Wahl des Freiwinkels zwischen 0° und 35° sowie minimale Schneidkantenradien von bis zu 2 µm. Die Qualität der la-sergefertigten, ausbruchsfreien Schneidkanten ermöglicht einen Einsatz mit wesentlich geringeren Schneidkräften als sie bei herkömmlich gefertigten Schneidplatten üblich sind. Ins-besondere bei der Zerspanung moderner Materialien, wie zum Beispiel Kohlefaser-Verbund-werkstoffen, sind solche Eigen-schaften immens wichtig, um produktiv und wirtschaftlich arbeiten zu können. Sogar fertig gesintertes Hartmetall kann mit Tirotool-Schneidkanten gedreht werden. Werner Heumader er-gänzt: „Wir maximieren mit der verbesserten Schneidkante schließlich auch die Standzeit des Werkzeugs und senken die Instandhaltungskosten bei unseren Kunden.“ Oftmals sei auch Trockenbearbeitung möglich, was zusätzliche Ko-sten einspare und die Umwelt schone. Eine Besonderheit, die
Tirotool ebenfalls der Laserbe-arbeitung zu verdanken hat, ist die 3D-Spanleitstufe. Die so-genannte Tirowave garantiert sofortigen Spanbruch, sodass keine langen Späne entstehen, die regelmäßig von Bedienern entsorgt werden müssen. Dieses Problem besteht insbesondere bei der Zerspanung von Alu-minium. Stattdessen fallen die kleinen Späne umgehend in die Maschine und werden entsorgt.
diE ganZhEitliChE pRoZESSKEttE: Vom auSSChnEidEn BiS Zum fERtigEn pRäZiSionSWERKZEug:
In der Prozesskette bei Tiro-tool kommt es an drei Stellen zum Einsatz der innovativen Technologie: Zunächst werden die Rohteile aus dem Diamant-Blanks ausgeschnitten, was auf der Lasertec 40 PrecisionTool geschieht. Nachdem diese noch unbearbeiteten Diamanteinsät-ze auf die Träger gelötet wur-den übernimmt die Lasertec 20 PrecisionTool das Finishing der Schneidkanten und Freiwin-kel. Mittels Laserabtragen wird wiederum auf der Lasertec 40 PrecisionTool abschließend die 3D-Spanleitstufe auf die Schneidplatte eingebracht. Die hierfür nötige Programmierung
erfolgt automatisch auf Basis von 3D-CAD-Daten und mit Hilfe ei-ner Bildbearbeitungssoftware, welche die Spanleitstufe exakt auf der Schneidplatte positio-niert. Werner Heumader betont dabei: „Unsere Schneidplatten sehen also zu keinem Zeitpunkt eine Schleifmaschine.“
„pERfEKtE“ SChnEidKantEn danK RüCKStandSfREiER matERialVERBREnnung
Dass Tirotool auf Schleifverfah-ren in der Schneidplattenher-stellung gänzlich verzichtet hat Gründe: Die Laserbearbeitung von Schneidkanten aus PKD- und CVD-Diamantschneid-stoffen ist konventionellen Bearbeitungstechnologien in vielerlei Hinsicht überlegen. Der Laser wandelt den Kohlen-stoff in CO2 um und verbrennt
Abb.2: Laserwirkprinzip –
Ablenkspiegel bewegen
den Laserstrahl auf dem
Werkstück um Material
abzutragen
Abb.3: Lasertec-
Entwicklungsleiter Martin
Reisacher (l.), Tirotool
Geschäftsführer Werner
Heumader
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das Material damit rückstands-frei. Anders als bei spanenden Verfahren spielt die Härte des Werkstoffs in diesem Fall kei-ne Rolle. Während Schleifma-
schinen also mit kostenaufwän-digen Diamantschleifscheiben arbeiten und dabei hohe Zer-spanungskräfte auf das Material ausüben, was zwangsläufig in raschem Verschleiß der Schleif-werkzeuge resultiert, arbeitet der Laser absolut kraftlos – der Laser als perfektes „Werkzeug“. Im Fall des Verbundwerkstoffs PKD wirken sich die hohen Kräfte beim Schleifen insbe-sondere auf die Schneidkante negativ aus, denn hier werden
nicht nur die Diamantkörner, sondern auch der zwischen den Körnern befindliche Binder bearbeitet. Die Folge ist, dass die Diamantkörner aus dem Binder gebrochen werden, was zwangsläufig zu einer gewissen Schartigkeit der Schneidkante führt. Diese Schartigkeit steht in direktem Zusammenhang mit der Korngröße der Diamanten. Das funkenerosive Drahtschnei-den, birgt ebenfalls Nachteile in sich, denn der reine, nicht leitende Diamant im PKD-Ver-bundwerkstoff kann auf diese Weise nicht bearbeitet werden, sodass der Draht um die Dia-mantkörner herum schneidet. Wie beim Schleifen besteht auch beim Drahtschneiden eine direkte Korrelation zwischen Korngröße und Schneidkanten-schartigkeit. Da der Laserabtrag unabhängig von elektrischer Leitfähigkeit und Härte ist, schneidet die Maschine hier gerade durch Binder und Dia-mantkörner hindurch. Damit lässt sich eine völlig ausbruch-freie, gerade Schneidkante er-zeugen. Selbst ein für viele Zer-spanungsaufgaben vorteilhaftes grobkörniges PKD lässt sich mittels Lasertechnologie ohne Beeinflussung der Schneid-kantenqualität bearbeiten. Mo-nokristalliner Diamant oder CVD-Dickfilm-Schneidplatten sind noch schwerer zu bearbei-ten als PKD-Schneidstoffe. Der Schleifaufwand ist wesentlich höher und Drahtschneiden ist mangels elektrischer Leitfä-higkeit des Materials gar nicht möglich. Doch gerade Dia-mantwerkzeuge mit CVD-Dia-mantschneidplatten haben bei-spielsweise in der Bearbeitung von Faserverbund-Werkstoffen deutliche Vorteile gegenüber Werkzeugen mit PKD-Schneid-platten – die Standzeiten sind um das Fünf- bis Zehnfacher höher. Da eine Fertigung der CVD-Diamantschneidplatten mittels Lasertechnologie heute
einfacher ist, kann in den näch-sten Jahren mit einem starken Wachstum gerechnet werden, was das Angebot dieser Werk-zeuge angeht.
löSung füR diamantBEaRBEitung: diE laSERtEC 20 pRECiSiontool
Die Lasertec 20 PrecisionTool von Sauer vereint die Vorteile der Laserbearbeitung mit de-nen modernster 5-Achs-CNC-Werkzeugmaschinen, wie der Gildemeister-Konzern sie an-bietet. Martin Reisacher, Leiter Forschung & Entwicklung bei Sauer, geht auf den Laser ein: „Herzstück der Maschine ist ein Faserlaser der jüngsten Ge-neration.“ Der einfach und zu-gleich robust aufgebaute Laser zeichne sich durch seine hohe Strahlqualität aus sowie durch eine enorme Lebensdauer von bis zu 100 000 Stunden. Der leistungsstarke und zugleich energiesparende Laser arbeitet innerhalb eines bewährten Ma-schinenkonzepts, einer 5-Achs-Portalmaschine mit Lineartech-nologie bzw. Torque-Antrieben in allen Achsen. „Damit stellt die Lasertec 20 PrecisionTool für Anwender ein schlagkräf-tiges Gesamtpaket dar, das die Fertigbearbeitung von Schneidkanten und beliebigen Freiwinkeln in den genannten ultraharten Diamantschneid-stoffen erlaubt – und das mit einer Präzision im µm-Bereich“, fasst Friedemann Lell, Leiter Vertrieb bei Sauer Lasertec, den Anwendernutzen der Maschi-ne zusammen. Tirotool hat sich mit seinem Know-how in der Schneidplattenbearbeitung an der Entwicklung der Lasertec 20 PrecisionTool auf der Software-Seite beteiligt. So bietet Sauer in Verbindung mit der State-of-the-art Siemens 840D solu-tionline – Steuerung spezielle Lasersoft-Softwarefeatures an,
Abb.4: PKD Schneideinsatz
mit Freiwinkel und
Spanleitstufe
Abb.5: 40-fache
Vergrößerung einer
geschliffenen CVD
Schneide_mit
Kantenausbrüchen
Abb.6: 19-fache REM-
Vergrößerung einer
gelaserten CVD-Schneide
– komplett ausbruchsfrei
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mit denen Normschneidplatten anhand ihres ISO-Codes auto-matisch programmiert und be-arbeitet werden. Rundlaufende Werkzeuge und Sonderschneid-platten werden über eine dfx-Schnittstelle ebenfalls einfach programmiert – per Eingabe der Schneidenkontur. Martin Reisacher beschreibt ein wei-teres Ausstattungsmerkmal auf Steuerungsebene: „Während der Bearbeitung vermisst die Maschine die Lage der Schneid-platten automatisch und steuert den Laser entsprechend dieser Position und Ausrichtung.“ Eine Visualisierung des Bau-teils (Lasersoft-3D-Simulation) auf dem Steuerungsbildschirm veranschauliche diesen Prozess für den Bediener.
KomplEttBEaRBEitung in EinER aufSpannung
Als Anbieter der „neuen Tech-nologien“ innerhalb des Gil-demeister-Konzerns arbeitet Sauer intensiv an der kontinu-ierlichen Weiterentwicklung seiner Produkte. Was Tirotool bisher auf zwei Lasertec-Ma-schinen macht, wird künftig auf einer möglich sein. „Schneid-kanten, Freiwinkel und Span-leitstufen in Schneidplatten und Schaftfräsern aus PKD oder CVD werden dann in nur einer Aufspannung möglich sein, was die Produktivität der Werkzeughersteller erhöht. Zusätzlich werden wir durch Optimierung der Technologie die Bearbeitungszeiten deut-lich verringern können“, so Friedemann Lell. Die „nächste Generation“ der Lasertec 20 PrecisionTool wird erstmalig auf der EMO präsentiert.
ERgEBniSSE auf EinEn BliCK
Benefits der Laserbearbeitung von Schneidkanten, Freiwin-keln und Spanleitstufen in
PKD/CVD ggü. der konventio-nellen Schleifbearbeitung:
- Perfekte Schneidkanten ohne Ausbrüche - Standzeitverlängerung der Werkzeuge - Bis zu 2 µm Schneidkanten- radius - Freie Wahl des Freiwinkels zwischen 0° und 35° - Laser als „sauberes, ver- schleißfreies Werkzeug“ - Keine Umstellung des Ma- schinenbedieners durch Ver- wendung von standardi- sierten Software-Tools für normierte Schneidplatten
Prozesskette: Laserfestützte Fer-tigung von PKD / CBN / CVD-Präzisionswerkzeugen
1) Ausschneiden von Schneidplatten (PKD-Blanks)
Ausschneiden der Schneid- einsätze aus der PKD-Ronde;
Abb.7: Lasertec 20 PrecisionTool
mit Siemens 840 D solutionline
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Laserquelle: Lampenge- pulster Nd:YAG Laser; Bearbeitungszeit: 10 mal schneller als Drah- terodieren; Vorschneiden von Freiwin-
kel möglich mit 5-Achs Ma- schine; Schnittgeschwindigkeiten in 1,6mm PKD bis zu 100 mm/min;
2) Fertigbearbeitung von Schneidkante und Frei- winkel
Erzeugen von Schneidkan- ten und Freiwinkel;
Abb.8: Lasersoft: Parametrisierte Programmierung für Schaftfräser
Abb.9: Lasersoft:
Eingabe von normierten
Schneidplatten
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info
Sauer GmbHLasertecDeckel-Maho-Str.1D-87459 [email protected]
EMO: Halle 2 Eingang Nord/DMG
Tirotool Werkzeug-systeme GmbHValiergasse 58A-6020 [email protected]
freie Wahl des Freiwinkels von 0° bis 35°; Beste Schneidkantenquali- tät ohne Ausbrüche; Schneidkanten- radius bis 2µm; Mögliche Freiwinkelgeome- trien: gerade, facettiert, radial hinterlegt, mit Rund- schlifffase;
3) Einbringen von Spanleitstufen
Automatische Programmge- nerierung aus 3D CAD Daten; Bildverarbeitungssoftware zur genauen Positionierung der Spanleitstufe auf dem Werkzeug.
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includes
product line
TIGRA GmbHGewerbering 286698 Oberndorf am Lech
[email protected], www.tigra.de
+49-(0)90 90-96 80 01+49-(0)90 90-96 80 50
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