Chinesischer Technologieführer entwickelt Zerspanungswerkzeuge mit Dynamometern

Durch den zunehmenden Einsatz intelligenter Technologien haben Bearbeitungszentren in den letzten zehn Jahren erheblich von verbesserten Automatisierungstechniken profitiert. Moderne Bearbeitungszentren mit numerischer Steuerung, Sensoren und hochentwickelten Übertragungstechnologien produzieren effizient mit hoher Präzision, hoher Geschwindigkeit und gesicherter Qualität, während die Mitarbeitenden in der Fertigung von schweren manuellen Tätigkeiten entlastet werden. Bei diesen Veränderungen haben Zerspanungswerkzeuge als Verbrauchsmaterial schon immer eine entscheidende Rolle gespielt. Die Qualität dieser Werkzeuge, genauer gesagt ihre Präzision, Dauerfestigkeit, Stabilität und Anwendbarkeit, bestimmt branchenübergreifend die endgültige Leistung der bearbeiteten Teile und somit die Kosteneffizienz beim Kunden.

Das in Xiamen (Provinz Fujian) ansässige Unternehmen Xiamen Golden Egret Special Alloy Co, Ltd. (GESAC) ist ein staatliches Hightech-Unternehmen, das 1989 gemeinsam von chinesischen und ausländischen Investoren gegründet wurde. Seit 2004 beschäftigt sich die Abteilung Zerspanungswerkzeuge bei GESAC intensiv mit der Forschung und Entwicklung von Werkzeugen für unterschiedliche Anwendungen und hat sich als einer der führenden Werkzeuganbieter in China etabliert. Die Werkzeuge von GESAC werden in mehreren Zukunftsbranchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Energie- und Schwerindustrie, New Energy Vehicles und 3C-Elektronik. Das Unternehmen hat das Niveau der in China hergestellten Zerspanungswerkzeuge deutlich gesteigert. GESAC ist Teil der Xiamen Tungsten Co. (XTC) und verfügt über eine Reihe von Produktionsstätten und technischen Vertriebszentren in China, Brasilien, Japan, Deutschland und Thailand. Das Unternehmen beschäftigt weltweit mehr als 3.200 Mitarbeitende mit einem Gesamtumsatz von 4,1 Milliarden CNY (2021).

„Die Forschung und Entwicklung von Werkzeugen erfordert einen hohen Lernaufwand und ist mit engen technischen Grenzen konfrontiert“, sagt Lin Liangliang, F&E-Leiter der Abteilung Zerspanungswerkzeuge bei GESAC. „Im Gegensatz zu anderen Industrieprodukten sind die Werkzeuge nicht nur entscheidend für die Bearbeitungsqualität, sondern stellen auch Verbrauchsmaterial dar, das sich auf die Stückkosten auswirkt.“ Die Werkzeugeigenschaften sind also unter Berücksichtigung der spezifischen Bearbeitungsszenarien der späteren Kunden zu bewerten.

Ein erfolgreicher F&E-Prozess erfordert Messsysteme, die dynamische Zerspankraftdaten erfassen können, um sie als analytischen Nachweis für die Leistung und den Zustand von Werkzeugen und bearbeiteten Materialien zu verwenden. Deshalb setzt GESAC auf die dynamischen Messlösungen von Kistler.

„Dank unserer Zusammenarbeit mit chinesischen Universitäten haben wir 2009 mit der Erprobung von Kistler Produkten begonnen, die uns von Professoren und Industrieexperten empfohlen wurden. Seit über zehn Jahren setzen wir Dynamometer von Kistler in unserer Forschung und Entwicklung ein.“

Zhao Biaochun, Leiter der Abteilung Produkttests und -analysen bei GESAC

Das Unternehmen konzentriert sich auf drei große Produktkategorien: Vollmaterialfräser, Wendeschneidplatten und Bohrwerkzeuge. Am Ende des Fertigungsprozesses werden alle Produkte der einzelnen Kategorien stichprobenartig Eigenschaftsprüfungen, Tests unter Arbeitsbedingungen und Dauerfestigkeitsprüfungen unterzogen. 

„Die mit Dynamometern von Kistler gewonnenen Messergebnisse haben unsere zuvor nicht objektive Beurteilung der Werkzeuge, insbesondere der Bohrkronen, verbessert“, fügt Zhao hinzu. Anders als beim Drehen und Fräsen findet die Spanabfuhr beim Bohren im Inneren des Werkzeugs statt und ist daher während der Bearbeitung nicht ohne Weiteres zu beobachten. Früher spekulierten erfahrene Techniker anhand der Geräusche und der Belastung einer Werkzeugmaschine darüber, wie die Spanabfuhr verläuft, aber solche Spekulationen waren höchst subjektiv und ungewiss. Mithilfe von Schnittkraft-Dynamometern können die GESAC-Ingenieure nun die Kraftindizes eines laufenden Bohrers genau messen und ihre subtilen Veränderungen erkennen. „Die Dynamometer von Kistler überzeugen durch hohe Präzision und weite Messbereiche. Die gesicherte Qualität dieser Produkte ist einer der wichtigsten Gründe für unsere langfristige Partnerschaft“, erklärt Zhao abschließend.

Schnittleistungsvergleiche in Echtzeit

Die Messdatenerfassung mit Lösungen von Kistler ermöglicht GESAC detaillierte Werkzeugvergleiche. Wird bei der Bearbeitung eines dünnwandigen Werkstücks aus einer Aluminiumlegierung, wie es in der Luftfahrtindustrie verwendet wird, ein herkömmlicher Spiralbohrer eingesetzt, kann das Teil leicht verformt werden. Bei der Analyse der Genauigkeitsfehler beim Bohren dünnwandiger Werkstücke stellte das Forschungs- und Entwicklungsteam von GESAC fest, dass die Verformung des Auslegers direkt mit den Zerspankräften zusammenhängt. Das heißt, je geringer die Zerspankräfte, desto geringer ist die Verformung und desto präziser ist die Lochgröße. Im Gegensatz dazu hat ein Kernbohrer zwei inhärente Vorteile: Erstens werden seine Werkzeugkanten während der Bearbeitung weniger durch Späne gestört, und zweitens wendet er geringere Zerspankräfte auf. Um zu vergleichen, wie sich die beiden unterschiedlichen Bohrwerkzeuge bei der Bearbeitung dünnwandiger Werkstücke verhalten, analysierte das Team die mit Dynamometern von Kistler erfassten Zerspankraftdaten. Die Ergebnisse zeigen, dass Kernbohrer im Vergleich zu Spiralbohrern deutlich geringere Zerspankräfte aufbringen und eine wesentlich bessere Oberflächenqualität der bearbeiteten Teile erzielen.

Darüber hinaus gehörte GESAC zu den ersten Kunden weltweit, die das neue kabellose rotierende Dynamometer von Kistler testeten. Es soll Kunden dabei helfen, die gemessenen Zerspankräfte über drahtlose Signalempfänger direkt an den Rechner zu übertragen – ohne die zuvor notwendige Verkabelung in der Maschine. Wie herkömmliche rotierende Dynamometer zeichnet sich das drahtlose rotierende Zerspankraft-Dynamometer (Typ 9170B) durch eine hohe Eigenfrequenz, einen großen Messbereich und die Möglichkeit der Echtzeitmessung von Zerspankräften durch ein rotierendes Werkzeug aus. Bereits während der Messung werden die Werte Fx, Fy, Fz und Mz ausgegeben. Anschließend werden die Tangentialkraft Ft und die Normalkraft Fn durch nahtlose Softwareberechnungen dargestellt. „Wir können die gemessenen Daten sogar direkt den einzelnen Schneiden der entsprechenden Werkzeuge zuordnen, sodass wir die spezifischen Kräfte, die auf jede Schneide einwirken, genau bestimmen und gezielter einsetzen können“, erklärt Lin Liangliang. „Die Abteilung für Zerspanungswerkzeuge bei GESAC wird weiterhin dazu beitragen, die Lieferkette der Werkzeugindustrie in China voranzubringen, indem sie ihre technische Stärke ausbaut und ihre Dienstleistungsphilosophie ‚von Endkunden und für Endkunden` lebt.“