Keramikfaser-Werkzeuge für optimale Entgrat- und Polierergebnisse von Kempf

Maschinelle Entgratung mit einer Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA11-CB40M mit Ø 40 mm – diese fährt in wenigen Sekunden den gesamten Bauteilrand des Actuator-Housings aus Magnesiumguss an der Unterseite ab und entgratet diesen vollständig.

Um es vorweg zu nehmen – nein, die Keramikfasern haben nichts mit einer gewöhnlichen Steinkeramik und noch weniger mit einer Kaffeetasse zu tun. Vielmehr steckt hinter dem eingesetzten Werkstoff eine „technische Keramik“, die im Gegensatz zur Kaffeetasse, die als Gebrauchskeramik bezeichnet wird, aus Al2O3 Aluminiumoxid und speziellem Bindemittel bei hohen Temperaturen gesintert wird und erst dann ihre individuellen Eigenschaften erhält. Die daraus entstehende Oxidkeramik besitzt unter anderem eine hohe Härte (härter als Stahl) und eignet sich daher bestens zur Verwendung als Schneidstoff in der spanenden Bearbeitung. Darüber hinaus ist diese Art von Keramik sehr hitzebeständig, formstabil und verschleißfest – ideale Voraussetzungen also, um daraus Entgratwerkzeuge zu fertigen, die für die verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden können.

Da sich für diesen Werkstoff besonders Polier- und Schleifarbeiten anbieten, ist es naheliegend, die einzigartigen Eigenschaften der Hochleistungskeramik in einzelnen Fasern zu bündeln und komplette Bürstensysteme zu entwickeln, die herkömmlichen (Metall- oder Nylon-) Bürsten weit überlegen sind. Weil Keramik an sich sehr hart ist, die Faserstäbe jedoch gleichzeitig so flexibel sind, dass sie sich der Werkstückoberfläche anpassen, entsteht eine gleichmäßige Schleifwirkung, was wiederum zu konstanten und hervorragenden Polier- und Schleifeigenschaften führt und somit gleichmäßige Oberflächen erzeugt werden können. Darüber hinaus entsteht bei der Zerspanung kein Sekundärgrat und es findet keine Anhaftung durch den Selbstregenerationseffekt des Keramikwerkstoffs statt. All dies führt zu beachtlichen Oberflächengüten (Ra und Rz Werte), die im zerspanenden Verfahren mit anderen Werkzeuglösungen nicht oder nur schwer erreicht werden.

Eine Auswahl der Keramikfaser-Bürsten im Überblick.

„Gratfrei direkt von der Maschine“ – ein wesentlicher Vorteil für jede Serienfertigung

Die vom Entgratspezialisten Kempf vertriebenen Keramikwerkzeuglösungen mit den beschriebenen Xebec-Keramikfasern können dabei für die verschiedensten Bearbeitungen herangezogen werden. Dabei gilt stets das Ziel, „gratfrei direkt von der Maschine“ produzieren zu können und deshalb Werkzeuglösungen anzubieten, die sich in den gesamten Herstellungsprozess implementieren lassen, mit dem Ziel, manuelle Entgrattätigkeiten komplett zu eliminieren. Vor allem bei Serienbauteilen mit hoher Fertigungsmenge sind die daraus entstehenden (Kosten-) Vorteile beachtlich.

So konnte Kempf bei der Serienfertigung eines Actuator-Housings (Lenkgetriebegehäuse) aus Magnesium die komplette maschinelle Entgratung ermöglichen und damit die geforderten Qualitätsvorgaben mehr als erfüllen. Mit einer Auflage von 200.000 Stück pro Jahr keine leichte Aufgabe, denn die dafür benötigten Werkzeuglösungen waren in der Fertigung bis dato noch nicht im Einsatz. Neben den komplexen Konturen, die mit dem Back-Burr Cutter & Path Entgratsystem bearbeitet wurden, mussten auch die Flanschfläche sowie alle Konturen auf der Unterseite des Bauteils entgratet werden. Die dafür verwendete Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA11-CB40M mit roten Fasern sorgt dabei für den gewünschten gleichmäßigen Abtrag des Grates am Bauteil. Durch die einzigartigen Eigenschaften dieser Keramikfaser-Bürsten ist mit einem durchschnittlichen Verschleiß von 0,0005 mm pro Bauteil eine Standzeit von weit über 100.000 Bearbeitungen möglich.

Aber auch im Vergleich zu herkömmlichen Bürstensystemen auf dem Markt spielen die Keramikfasern ihre Vorteile aus. Entsprechende Vergleichstests wurden bei einem Automobilzulieferer durchgeführt, dessen produzierte Zylinderköpfe für einen bekannten Sportwagenhersteller in der Serienfertigung immer noch Restgrate aufwiesen. Die Teile aus Aluminium-Druckguss wurden an der Auslassseite aus Prozessgründen mit einem WSP-Messerkopf trocken bearbeitet, sodass in Richtung Auslasskanäle und an den Guss-Außenkonturen erheblich Grat erzeugt wurde, der eigentlich prozesssicher entfernt werden sollte. Mit der bis dato eingesetzten Tellerbürste mit Schleifnylon-Besatz SiC war es jedoch nicht möglich, die Gratwurzel in der gewünschten Prozessgeschwindigkeit zu entfernen. Daraufhin wurde die Keramikfaser-Bürste des Typs BÜA21-CB40M ebenfalls in der Trockenbearbeitung, mit den Schnittparametern n = 2.400 U/min, f = 4.000 mm/min und ap = 1,00 mm eingesetzt. Das Ergebnis zeigte, dass die Keramikfaser-Bürste ein wesentlich besseres Entgratergebnis erzielte und keine Sekundärgrate entstanden. Auch die gewünschte Prozessgeschwindigkeit konnte eingehalten werden.

Kombination aus PKD-Fräser und Keramikfaser-Bürste sorgte für 30 min schnellere Bearbeitungszeit

Vor ähnlichen Problematiken mit einem Bauteil aus Aluminium Sandguss stand das dafür beauftragte Unternehmen, als es ebenfalls um die Entgratung von mehreren eingefrästen Taschen ging. Der halbkreisförmige „Kameraträger“ mit etwa 600 mm Durchmesser für die Optikindustrie sollte dabei mit mehreren Aussparungen versehen werden, die zur Kameraaufnahme dienen. Die äußere, bei Gusskonturen üblich undefinierte, Kontur der gefrästen Tasche sollte dabei vollständig entgratet werden, was angesichts der bei der Herstellung der Aussparungen entstandenen Grate prozesssicher nicht möglich war. Um den gesamten Ablauf deutlich zu optimieren, wurden die bisher eingesetzten Vollhartmetall-Fräswerkzeuge, die viel zu große Gratwurzeln erzeugten, durch PKD-Fräser aus dem Hause Kempf ausgetauscht. PKD-Werkzeuge leisteten dabei so gute Vorarbeit, dass die zum Entgraten der Konturen eingesetzte Keramikfaser-Oberflächenbürste nur noch minimale Grate entfernen mussten. So senkte sich nicht nur der Verschleiß und somit auch die Standzeit der eingesetzten Keramikfaser-Bürste, sondern auch die Haltbarkeit der PKD-Fräser übertraf die der vorher eingesetzten VHM-Fräser um ein Vielfaches. Die in mittelgroßer Serie produzierten Kameraträger werden seither mit dem optimierten Verfahren und den nun eingesetzten PKD Fräsern ganze 30 Minuten schneller gefertigt. Eine manuelle Nacharbeit ist nicht mehr notwendig, da alle Prozesse maschinell in gleichbleibender Qualität umgesetzt werden.

Keramikfaser-Werkzeuge lohnen sich auch bei Kleinserien

Auch bei Kleinserien oder sogar in der Prototypenfertigung spielen Entgratvorgänge eine wichtige Rolle. Vor allem, wenn hochpräzise Bauteile bearbeitet werden müssen, ist nicht die Menge, sondern rein die erreichte Qualität der Bearbeitung ausschlaggebend. Dies trifft insbesondere für Bauteile aus der Luft- und Raumfahrt zu. Bei einem hochpräzisen optischen Sensorteil für Satelliten gab es Fertigungsprobleme hinsichtlich der maschinellen Entgratung der vielen Bohrungen mit teilweise asymmetrischen und gewölbten Konturen sowie der Bearbeitung der Oberflächen. Um die vielen Flächen, Bohrungen und 3-D-Konturen vor allem prozesssicher und absolut gratfrei direkt in der Maschine herzustellen, wurden unter anderem eine Vielzahl von Keramikfaser-Werkzeugen verwendet. So wurden mit einer Keramikfaser-CrossHole Bürste sämtliche Querbohrungen entgratet. Die dafür konzipierte Bürste steuert dabei die Flanken der Keramikfasern durch die entstehende Fliehkraft an die Bohrungswand und kann so feine Grate bis 0,1 mm effizient entfernen, ohne dabei die Bohrung zu beschädigen. Für die Fläche des Anbauflansches des etwa 100 mm langen Bauteils aus hochfestem Titan wurde eine Oberflächenbürste mit Durchmesser 15 mm eingesetzt, die bestens dafür geeignet ist, um Planflächen zu entgraten ohne eine zu große Kantenverrundung zu erzeugen. Verschiedene Keramikschleifstifte mit flexiblem Schaft und speziellem Keramik-Werkstoffkopf sorgen schließlich für das nötige Finish und realisieren punktgenau die letzten Feinstentgratungen an Konturen und Bohrungen im Bereich unter 10 mm Durchmesser.

Es zeigt sich, dass Keramik einer der vielfältigst einsetzbaren Schneidstoffe ist. Der älteste künstliche Werkstoff der Welt spielte in der Menschheitsgeschichte schon immer eine Rolle und wird mit dem Einsatz als „technische Keramik“ gefragter denn je, denn sie lässt sich mittlerweile der High-Tech Sparte zuordnen und bietet weiterhin sehr viel Potenzial. Auch im Bereich der Zerspanung bietet Keramik, beispielsweise durch die höhere Materialhärte im Vergleich zu Hartmetall, wesentliche Vorteile und wird dennoch oft unterschätzt. Dabei zeigen die aufgeführten Beispiele, dass Werkzeuge aus Keramikfaser bzw. Keramikstein genau dann ihre Vorteile ausspielen, wenn konventionelle Werkzeuge an ihre Grenzen stoßen und Bauteile dann trotzdem manuell nachgearbeitet werden müssen. Kempf als Entgratspezialist stellt dabei die Werkzeuglösung zur Verfügung, die genau diese unnötigen Prozesse eliminieren und dem Kunden damit Zeit, Geld und Nerven erspart und die Fertigung optimiert.

Weitere Infos zu den Keramikfaser-Bürsten und vielen weiteren Entgratlösungen gibt's auf dem Xebec-Stand auf der EMO, Halle 3, Stand E25.