Prozesssichere Fertigung mit powRgrip

Standardwerkzeuge prozesssicher spannen

Für die Luft- und Raumfahrt sowie für Gasturbinen zur Energieerzeugung fertigt Franke Industrie AG im Schweizer Aarburg Bauteile aus hochwertigen, warmfesten Werkstoffen als Einzelstücke oder in Kleinserien. Wirtschaftlich gelingt dies nur bei höchster Prozesssicherheit, zu der das Spannsystem powRgrip von Rego-Fix entscheidend beiträgt.

„Über unseren Erfolg entscheiden sichere Prozesse“, berichtet Markus Fretz in Aarburg. Er leitet die Produktion bei der Franke Industrie AG. Der Industriebetrieb ist eine Schweizer Aktivität der international agierenden Unternehmensgruppe Franke. Diese ist in vier Geschäftsbereichen aktiv und beschäftigt rund 9000 Mitarbeiter. Das Unternehmen zeichnet sich als führender Anbieter von Produkten und Lösungen für die Haushaltsküche, das private Bad, die professionelle Systemgastronomie, die Kaffeezubereitung sowie halb- und öffentliche Waschräume aus.

Von der Schmelze zum einbaufertigen Bauteil

In der Franke Industrie AG sind rund 70 Mitarbeiter spezialisiert auf Bauteile für die Luft- und Raumfahrt sowie für Anlagen zur Energieerzeugung. Aus korrosionsbeständigen Stählen und aus hoch warmfesten metallischen Werkstoffen fertigt das Unternehmen sogenannte Heissgas-Pfad-Teile für Gasturbinen aller Grössen sowie für Triebwerke von Verkehrsflugzeugen. „Wir bearbeiten praktisch alle Bauteile für den heissen Teil von Gasturbinen mit Ausnahme der Schaufeln“, erklärt Miguel Hofer. Als Verkaufsingenieur ist er Ansprechpartner für Hersteller von Gasturbinen und Flugzeugtriebwerken. Franke Industrie AG fertigt darüber hinaus auch exotische Bauteile, zum Beispiel Austrittsdüsen für die Rakete Ariane 5 der ESA. Zum Produktionsspektrum in Aarburg gehören diverse Umform- und Schweissverfahren, mechanische Bearbeitung, Laserprozesse sowie Wasserstrahlbearbeitung und diverse zerstörungsfreie Prüfverfahren. Im Weiteren ist das Unternehmen in das Technologie-Netzwerk „Turbine Components Network“ eingebunden.

„Die Spezialisierung auf Komponenten für Energieerzeugung und vor allem für Luft- und Raumfahrt stellt besonders strenge Forderungen an die Produktionsprozesse und die Qualität der Bauteile“, erläutert Hofer. Wie er berichtet, ist das gesamte Unternehmen nach EN9100 und kundenspezifischen Forderungen auditiert und zertifiziert. „Unsere Auftraggeber verlangen höchste Zuverlässigkeit von den bei uns hergestellten Komponenten.“, fügt Hofer an.

Anspruchsvolle Bearbeitung

Die bei Franke in Aarburg zu bearbeitenden Werkstoffe stellen höchste Ansprüche an die Fertigungstechnologie. Wie Produktionsleiter Fretz berichtet, lassen sich insbesondere hoch warmfeste Nickel-Kobaltlegierungen kaum spanend bearbeiten. „Möglichst viele der benötigten Bearbeitungen versuchen wir umformend auszuführen, also beispielsweise Bleche zu biegen und tiefzuziehen. Komplexe Komponenten entstehen meist durch Fügen von Blechen, Rohren, Ringen oder vorgeschmiedeten Einzelteilen. Deshalb verfügen wir über zahlreiche Schweissarbeitsplätze“, ergänzt er.

Allerdings gibt es eine Vielzahl an Geometrien und Konturen, die sich mit diesen Verfahren nicht bearbeiten lassen. Dazu gehören unter anderem kleine Bohrungen mit nur wenigen zehntel Millimeter Durchmesser, die in Brennersysteme der Luftzufuhr dienen. Franke Industrie AG bringt sie mit einem Laserverfahren ein. Darüber hinaus sind allerdings auch größere Durchbrüche und beispielsweise Anschraubflächen zu bearbeiten und Kanten zu säumen. „Fräsen ist trotz der schwierigen Bedingungen unumgänglich“, sagt dazu Fretz. Franke Industrie AG hat dazu in mehrere sehr stabile, drei- und fünfachsige Bearbeitungszentren investiert. Diese bieten bis zu 1000 x 600 x 560 mm große Arbeitsräume. Sie tragen bis 1000 kg schwere, bis 1000 mm im Durchmesser messende Werkstücke auf ihren Rundtischen. Die vertikalen, direkt angetriebenen Arbeitsspindeln mit über 30 kW Antriebsleistung nehmen Werkzeuge in großen, steifen Werkzeugaufnahmen von SK40 bis HSK-A100 auf. Bearbeitet werden überwiegend Einzelstücke oder Serien mit fünf bis 100 gleichen Bauteilen.

Werkzeuge einschrumpfen war unzuverlässig

Beim Einspannen der Fräswerkzeuge arbeitete Franke Industrie AG zunächst mit üblichen Spannzangen, Weldon-Futtern oder Schrumpfaufnahmen. Dies erwies sich aber als ungenügend. Wie Fretz erläutert, fehlt bei diesen Werkzeugspannsystemen vor allem die benötigte Prozesssicherheit. „Beim Fräsen am Umfang einer Kontur wirken an einem Schaftfräser grosse axiale Kräfte. Dies gilt vor allem beim Bearbeiten sehr zähharter, warmfester Werkstoffe sowie bei grossen Vorschubgeschwindigkeiten“, beschreibt er die Ursachen. Die Axialkräfte können den Fräser aus der Werkzeugeinspannung herausziehen. Wie Fretz berichtet, war dies vor allem beim Einspannen der Werkzeuge mit Standard-Spannzangen wiederholt geschehen. Auch die häufig verwendeten Schrumpffutter konnten die benötigte Prozesssicherheit nicht bieten. Wie Fretz bestätigt, lässt sich vor allem die sichere Nutzungsdauer dieser Spannsysteme nicht zuverlässig vorhersagen und festlegen. „Bei Schrumpffuttern können nach einigen hundert oder nach mehreren tausend Schrumpfzyklen die Spannkräfte nachlassen. Diese grosse Unsicherheit können wir nicht akzeptieren“, führt Fretz aus. Dazu ergänzt Hofer: „Wird der Fräser durch die Bearbeitungskräfte herausgezogen, beschädigt er meist irreparabel das Bauteil. Derart Ausschuss zu produzieren müssen wir unbedingt vermeiden.“ Ausschuss verursacht nicht nur wirtschaftliche Einbussen, sondern verzögert auch die Durchlaufzeiten und die Auslieferung der Bauteile. Die speziellen, hoch warmfesten Sonderwerkstoffe sind sehr kostenintensiv.

secuRgrip sichert zusätzlich formschlüssig

Wegen wiederholter Versagensfälle beim Spannen der Fräswerkzeuge in Schrumpffuttern suchten die Aarburger nach deutlich besseren Spannsystemen. Dabei ging es speziell um eine hohe Sicherheit gegen das Ausziehen der Fräswerkzeuge. „Allerdings wollten wir vermeiden, Fräswerkzeuge mit speziell präparierten Schäften zu beschaffen. Unsere Vollhartmetallfräser mit Zylinderschaft oder Weldonfläche sollten weiterhin eingesetzt werden“, sagt Fretz zu den Auswahlkriterien für ein geeignetes Spannsystem. Dieses Kriterium wog umso stärker, da die Werkzeuge sehr rasch verschleissen und deshalb häufig Ersatz beschafft werden muss. Standardwerkzeuge erweisen sich als wesentlich wirtschaftlicher als die Werkzeuge mit Sonderschaft.

Nach ersten Kontakten zur Vischer & Bolli AG präsentierte Roland Wyss, der als Anwendungstechniker beim Handelshaus tätig ist, das innovative Werkzeugspannsystem powRgrip von Rego-Fix. Das System umfasst die automatische Spanneinheit PGU 9500 und die Werkzeughalter mit Spannzangen powRgrip. Vor allem die Spannzangen überzeugten die Spezialisten bei Franke Industrie AG. Denn neben den zylindrischen Ausführungen für Schaftfräser gibt es bei Rego-Fix das System secuRgrip für Schäfte mit Weldonfläche. Dabei greift ein Hartmetall-Mitnehmer in die Weldonfläche und in eine Gewindenut der Spannzange PG-SG. Somit wird das Fräswerkzeug nicht nur mit der hydromechanisch aufgebrachten Klemmkraft, sondern zusätzlich formschlüssig gehalten und gegen axiales Herausziehen gesichert. Zusätzlicher Vorteil dieser Sicherung ist, dass der Mitnehmer die Unwucht der Weldonfläche nahezu vollständig ausgleicht. In dieser Variante gewährleistet das Spannsystem ebenso wie das Spannsystem powRgrip Rundlaufgenauigkeiten ≤ 3 µm. Mit den zwei Spannflächen zwischen Werkzeugschaft und Spannzange sowie Spannzange und Werkzeugfutter sorgt das Spannsystem zudem für eine optimale Dämpfung gegen Schwingungen.

Auch von der einfachen Bedienung und dem zuverlässigen Arbeitsablauf des Spannsystems powRgrip waren die Fachkräfte bei Franke Industrie AG schnell beeindruckt. Auf Tastendruck können Bohr- und Fräswerkzeuge von 0,2 bis 25,4 mm Durchmesser innerhalb weniger Sekunden eingespannt werden. Der Bediener setzt dazu lediglich den abgestimmten Spannadapter und anschliessend das Werkzeug mit dem kompletten Werkzeughalter in die Spanneinheit ein. Da für alle marktgängigen Spindelschnittstellen, unter anderem SK, HSK, BT, BT+ und Capto, Werkzeugaufnahmen zur Verfügung stehen, ist das Spannsystem powRgrip universell einsetzbar. Den zum Werkzeughalter passenden Spanndruck erkennt die Spanneinheit PGU 9500 automatisch am entsprechend eingesetzten Spannadapter. Das Personal benötigt dazu keine speziellen Fachkenntnisse. Die Spanneinheit PGU 9500 steuert den Spannvorgang und die Spannkräfte selbst. Wie der stellvertretende Teamleiter der mechanischen Fertigung, Micha Plüss, bestätigt, sind Fehlbedienungen oder ein unsachgemässes Einspannen von Werkzeugen ausgeschlossen.

Nach einigen Monaten im Fertigungsbetrieb hat das Spannsystem powRgrip die strengen Forderungen nach höchster Prozesssicherheit vollauf erfüllt. „Die eingespannten Bohr- und Fräswerkzeuge werden absolut zuverlässig gehalten. Dies betrifft auch schwierige Situationen, in denen die Fräser hoch belastet werden“, bestätigt Fretz. Wie die Erfahrungen zeigen, reicht meist das vom Zylinderschaft übertragene Moment (über 1000 Nm bei Spannzangengrösse PG 32) schon aus, die Fräser zuverlässig zu halten. Die Ausführung secuRgrip mit Hartmetall-Mitnehmer gibt zusätzliche Sicherheit bei hoch beanspruchten Fräswerkzeugen, zum Beispiel bei großen Umschlingungswinkeln.

Diese hohe Prozesssicherheit ist zudem über sehr lange Zeiträume gewährleistet. Wie Roland Wyss erläutert, bestätigt der Hersteller Rego-Fix eine zuverlässige Funktion für bis zu 20 000 Werkzeugwechsel. Denn die Werkzeugfutter werden beim automatisierten mechanischen Spannen nur in ihrem elastischen Dehnbereich belastet. Die Fachkräfte bei Franke Industrie AG können diese Zuverlässigkeit und Prozesssicherheit ausnahmslos bestätigen. „Das Einspannen zylindrischer Schaftfräser und der Fräser mit Weldonflächen mit powRgrip und secuRgrip von Rego-Fix schafft für uns eine sehr hohe Prozesssicherheit. Dies betrifft speziell größere Werkzeuge ab 16 mm Durchmesser. Damit trägt das Spannsystem von Rego-Fix entscheidend zu unserem geschäftlichen Erfolg bei“, fasst Fretz seine guten Erfahrungen zusammen.