Wedco Tool Competence Major Dream: Produktivitätsfaktor Werkzeughalter

Ein oft unterschätzter Faktor bei der Investition in neue Werkzeugmaschinen ist der für die Zerspanung positive Einfluss von hochgenauen Werkzeugspannsystemen. Vor allem Kosteneinsparungen in Bezug auf die Werkzeugstandzeit und kürzere Bearbeitungszeiten steigern die Produktivität der Bearbeitungen. Bild: Ein Werkzeugmagazin von GF AgieCharmilles mit 220 Werkzeugplätzen.

Die Erfahrung zeigt, dass Fertigungsbetriebe in der zerspanenden Industrie sehr häufig den Einfluss von Werkzeugspannsystemen vernachlässigen. Die positiven Auswirkungen, welche ein qualitativ hochwertiger, technisch innovativer und ausgereifter Werkzeughalter – wie beispielsweise von Nikken – bietet, sollten zum Vorteil genutzt werden. Vor allem Kosteneinsparungen in Bezug auf die Werkzeugstandzeit und auch kürzere Bearbeitungszeiten sind hier hervorzuheben. Aber auch die Qualität der Werkstücke – und im weiteren Sinne weniger Ausschuss – führen zu einem deutlich wirtschaftlicheren Fertigungsprozess.

Die Tatsache, dass bei der Beschaffung von neuen Bearbeitungszentren, häufig zu wenig Budget für die Ausstattung der Maschinen mit Werkzeugaufnahmen eingeplant wird, spiegelt sich auch im österreichischen Markt wider.

Investitionsanteil lediglich 2,5 Prozent

Wenn man z. B. den Konsum bzw. die Ausgaben der österreichischen Fertigungsbetriebe im Jahr 2012 in die drei Produktgruppen Werkzeugmaschinen, Werkzeughalter und Werkzeuge zum Ausstatten der Maschinen gegenüberstellt, ist folgendes gut ersichtlich: Die Gesamtausgaben aller Produktgruppen belaufen sich 2012 auf etwa EUR 750 Mio.. Zwei Drittel davon, knapp EUR 500 Mio., wurden in Werkzeugmaschinen investiert. Die Ausgaben in Werkzeughalter belaufen sich auf rund EUR 17 Mio., was einem Gesamtanteil von weniger als 2,5 % entspricht. Der Rest von beinahe EUR 240 Mio. entfällt auf Zerspanungswerkzeuge.

Um sich dieses Verhältnis etwas besser vor Augen führen zu können, nehmen wir folgende Annahme: Beim Kauf eines neuen Bearbeitungszentrums, für das EUR 300.000,- investiert werden, beträgt der Kostenanteil an Werkzeughaltern in etwa EUR 10.500,- des gesamten Budgets. Bei einer Maschine dieser Größenordnung, die etwa 70 Plätze für Werkzeughalter besitzt, würde somit jede Aufnahme maximal EUR 150,- kosten dürfen. Viele Experten sind jedoch der Überzeugung, dass für diese Komponenten mehr Budget einkalkuliert werden muss, da man langfristig davon nur profitieren kann.

Der Einschraubfräser mit einer schwingungsgedämpften Aufnahme - Major Dream ProEndmill von NIKKEN - hat sich bereits nach 340 Bauteilen rentiert. Eine sichtbar bessere Oberfläche und verminderte Geräuschbildung sind positive Nebeneffekte.

Positive Eigenschaften moderner Werkzeughalter

Wesentliche Faktoren um Wirtschaftlichkeit und Fertigungsperformance zu steigern sind die Haltekräfte, sprich die Klemmkraft, mit der das Werkzeug gespannt wird, die Präzision, worunter man die Rundlaufgenauigkeit und Wuchtgüte versteht und der Kegelkontakt, sprich die Passtoleranz der Kontaktfläche Halter zu Spindel. Eine weitere, innovative Möglichkeit ist eine Schwingungsdämpfung im Inneren der Aufnahme, um Grundschwingungen der Maschine nicht zum Zerpsanungspunkt weiterzugeben.

Hohe Klemmkräfte

Die Klemmkraft eines Werkzeughalters ist ein besonders wichtiger und ausschlaggebender Faktor, um lange Werkzeugstandzeiten und gute Bearbeitungsergebnisse zu erzielen. State of the Art Werkzeughalter bieten mittlerweile mehrere 1.000 Nm Drehmoment an Haltekraft. Um diese zu erreichen, aber auch langfristig zu halten, werden Aufnahmen im Herstellungsprozess nach dem Härteprozess bei etwa -100 °C schockgekühlt. Dabei bewirkt man eine Umwandlung des Materialgefüges vom Austenit in Martensit – das bedeutet ein stabileres Gefüge und Hemmung des Alterungsprozesses.

Verstärkte Wände des Futterkörpers kombiniert mit schlankem Design sowie mit technisch raffinierten Rollenlagersystemen und Hohlräumen für Öl- und Schmutzreste bewirken zusammen besonders hohe Klemmkräfte und verhindern das Verrutschen und Rausziehen des Werkzeuges.

Rundlaufgenauigkeiten von 3,0 µm

Mittels präziser Halter, die hohe Rundlaufgenauigkeiten bieten, kann ebenfalls besonders die Lebenszeit des Werkzeuges stark beeinflusst werden. Moderne Halter bieten mittlerweile Rundlaufgenauigkeiten von max. 3,0 µm auf eine Auskraglänge von 3 x D. Auch Unwuchten innerhalb Aufnahmen konnten drastisch reduziert werden. Wuchtgüten von G2.5 werden inzwischen bis zu 40.000U/min erzielt, was besonders in der High-Speed-Bearbeitung Anklang findet.

Je mehr Aufmerksamkeit ein Hersteller der Passtoleranz seines Kegels schenkt und somit eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Maschinenspindel und Halter schafft, umso steifer wird die Aufnahme in Position geklemmt. Diese Sitzgenauigkeit wirkt sich nicht nur positiv auf Steifigkeit und Rundlauf aus, sondern kann auch eine Beschädigung der Maschinenspindel sowie der Werkzeuge verringern.

Der MAJOR-DREAM Werkzeughalter von NIKKEN hat ein außergewöhnliches Konzept. Mit seinem eingebauten Dämpfungsmechanismus gegen Feinstschwingungen liefert er vom superfeinen Schlichten bis hin zur anspruchsvollen Schwerzerspanung exzellente Ergebnisse.

Integrierte Schwingungsdämpfung

Beim Einsatz von innovativen Werkzeughaltern mit integrierter Schwingungsdämpfung kann der negative Einfluss von Vibrationen verhindert werden. Grundsätzlich wird die Schneidleistung etwas beeinträchtigt, da Grundschwingungen der Maschine weitergeleitet werden und bis zum Schnittpunkt der Zerspanung gelangen. Kann man diese Übertragung stoppen, ergeben sich Vorteile für die Oberflächengüte des Werkstückes, für die Geräuschbildung während der Fertigung und besonders für die Standzeiten der Werkzeuge.

Erzielt wird solch eine Dämpfung durch Hülsen im Inneren des Futters, die mit flexiblen Massen, Flüssigkeiten und Tellerfedern radiale und axiale Schwingungen dämpfen.

Beispiele aus der Praxis

Um die Auswirkungen von Werkzeugspannsystemen in der Praxis zu betrachten, wurden umfangreiche Versuche bei Kunden durchgeführt, die High-End Werkzeugaufnahmen von Nikken im Einsatz haben. Die folgenden Beispiele sollen verdeutlichen, welche Fortschritte bzw. Einsparungen möglich sind:

Ein Großteil der Entscheidungsträger, welche für die Beschaffung von Aufnahmen und Werkzeugen verantwortlich sind, denken, dass die oben genannten Einsparungen auch erzielt werden können, indem einfach weniger Geld für den Invest an Halter selbst ausgegeben wird. Innerhalb eines Praxisbeispieles wird jedoch anhand der Amortisationszeit und dem ROI aufgezeigt, dass sich die anfangs höheren Ausgaben sehr schnell für einen Betrieb bezahlt machen.

Unter anderem hat sich bereits nach 340 Bauteilen der höhere Anfangsinvest rentiert, war somit budgetneutral. Ab diesem Zeitpunkt wurden Einsparungen erzielt, welche sich innerhalb des ersten Jahres auf über EUR 11.000,- summierten – sprechen (Anm.: Es handelt sich um ein einem Serienteil). Ausschlaggebend dafür war das größere Zeitspanvolumen, welches zu einer kürzeren Zerspanungszeit und weiters auch zu niedrigeren Maschinenkosten pro Bauteil geführt hat – bzw. umgekehrt: mehr Bauteile pro Zeiteinheit ausgebracht werden konnten.

Resümee

Die anfangs höheren Investitionskosten in technisch innovative und besonders ausgereifte Werkzeugspannsysteme dürfen kein Hindernis für den Einsatz solcher Werkzeughalter sein. Man muss diese Ausgaben über einen längeren Zeitraum betrachten und auch die Effekte, die daraus resultieren, in die Entscheidung mit einbeziehen.

Setzt man Werkzeugaufnahmen, welche die eben genannten Vorteile bringen ein, wird man schnell merken: Es rentiert sich auf alle Fälle, da aufgrund der deutlich längeren Lebenszeit des Halters, der höheren Standzeit der Werkzeuge, der besseren Bearbeitungsergebnisse des Werkstückes und der kürzeren Bearbeitungs- /Taktzeiten, die höhere Anfangsinvestition mehrfach eingespart wird. Die Überschrift „Produktivitätsfaktor Werkzeughalter" wird damit zur Realität.

Quellen: AIT, Fraunhofer ISI, Fachverband der Maschinen- und Metallwaren Industrie (FMMI), Statistik Austria, Wedco, Nikken