Durch die Analyse, Bewertung und rationale Auswahl verschiedener Verfahren zur Innengewindebearbeitung können Teilehersteller effizient und wirtschaftlich hochwertige Gewindebohrungen herstellen. Vorteile und Nachteile der fünf wichtigsten Verfahren zur Innengewindebearbeitung: Gewindeschneiden, Extrudieren, Fräsen, Drehen und Schleifen.
Gewindeschneiden von Innengewinden
Das Gewindeschneiden ist eine effektive und gängige Methode für viele Gewindeoperationen. Normalerweise sind die Anschaffungskosten am niedrigsten, aber insgesamt nicht unbedingt die wirtschaftlichste.
Gewindeschneiden ist ein kontinuierlicher Schneidprozess, bei dem Werkstückmaterial durch aufeinanderfolgende Schneidkanten entfernt wird, um die endgültige Gewindegröße in einem einzigen Durchgang zu erhalten. Gewindebohrer werden speziell für den Außen-, Innen- und Steigungsdurchmesser des Gewindes hergestellt. Da die Gewindebohrer das Schruppen und Schlichten in einem einzigen Durchgang erledigen müssen, muss eine große Menge an Spänen effektiv abgeführt werden und es kann zu übermäßigem Druck kommen, was zu Problemen mit der Gewindequalität oder zu Schäden am Gewindebohrer führen kann.
Die Spankontrolle ist ein wichtiges Thema, das beim Gewindeschneiden nicht ignoriert werden kann, insbesondere bei der Bearbeitung von Werkstückmaterialien mit geringerer Härte, höherer Viskosität und der Tendenz zur Bildung langer Streifenspäne. Diese Streifenspäne können ein Vogelnest um den Gewindebohrer bilden oder sich in der Spannut ansammeln, wodurch der Gewindebohrer im Loch bricht. Aluminium, Kohlenstoffstahl und Edelstahl der Serie 300 sind im Allgemeinen die anspruchsvollsten Werkstückmaterialien für die Spankontrolle.
Gewindebohrer können nahezu alle Werkstückmaterialien mit einer Härte unter HRC50 bearbeiten und einige Werkzeughersteller bieten Gewindebohrer an, die sogar Werkstückmaterialien mit einer Härte von bis zu HRC65 bearbeiten können.
Der Lochdurchmesser ist ein weiterer zu berücksichtigender Faktor. Die meisten Endbenutzer können nur Löcher mit einem Durchmesser von weniger als 16 mm bohren. Wenn der Lochdurchmesser 16 mm überschreitet, besteht ein Problem damit, ob die Werkzeugmaschine über genügend Leistung verfügt, um den Gewindebohrer zu drehen. Wenn der Lochdurchmesser weniger als 6,35 mm beträgt, ist das Gewindebohren aufgrund des begrenzten Spanraums und der geringeren Festigkeit von Gewindebohrern mit kleinem Durchmesser ebenfalls problematisch.
Darüber hinaus kann die Innengewindelänge, die mit dem Gewindebohrer bearbeitet werden kann, normalerweise mehr als das Dreifache seines Durchmessers erreichen. Bei Tieflochgewinden sind Gewindebohrer oft schneller als einzahnige Gewindefräser. Solange die Späne erfolgreich aus dem Loch abgeführt werden können, kann die Tiefe des Gewindebohrers angezapft werden.
Da Durchmesser und Steigung festgelegt sind, kann ein Gewindebohrer nicht unterschiedliche Schraubengrößen verarbeiten. Aufgrund der großen Kontaktfläche zwischen dem Gewindebohrer und der Lochwand beim Gewindeschneiden und der hohen erzeugten Schnittkraft kann der Gewindebohrer außerdem brechen und im Loch stecken bleiben, wodurch das Werkstück verschrottet wird. Beim Gewindeschneiden ist außerdem ein hoher Schmierstoff erforderlich, um den Vorgang effektiv abzuschließen.
Verarbeitung der Innengewindeextrusion
Durch Übertragen (anstatt Schneiden) des Werkstückmaterials können Extrusionsgewindebohrer Innengewinde mit bis zu vierfachem Durchmesser erzeugen. Da keine Späne entstehen, besteht kein Grund zur Sorge über die Bildung von Vogelnestern aus Spänen. Extrusionsgewinde erfordern jedoch, dass die Werkstückhärte auf weniger als etwa HRC40 begrenzt wird. Darüber hinaus muss das Werkstückmaterial aufgrund der Notwendigkeit der Materialübertragung eine gute Duktilität aufweisen.
Extrusionsgewindebohrer haben normalerweise einen Durchmesser von weniger als 19 mm und können bis zu 0,5 mm klein sein. Je größer der Gewindebohrerdurchmesser ist, desto größer ist die während der Verarbeitung erzeugte Reibung und desto höher ist die für die Werkzeugmaschine erforderliche Leistung.
Im Vergleich zu Schneidgewindebohrern sind Extrusionsgewindebohrer steifer und brechen weniger leicht. Der auf Schneidgewindebohrer wirkende Druck ist eine tangentiale Kraft durch ihre polygonale Oberfläche, während der auf Extrusionsgewindebohrer wirkende Druck eine radiale Kraft in Richtung der Mitte des Gewindebohrers ist und daher viel größer als die tangentiale Kraft ist.
Im Vergleich zu geschnittenen Gewinden sind Durchpressgewindebohrer stabiler, da Durchpressgewindebohrer die Gewinde durch Komprimieren (und nicht durch Scheren) der Kornstruktur des Werkstückmaterials formen.
Im Vergleich zum Schneidgewindebohren erfordert das Extrusionsgewindebohren eine Maschine mit höherem Drehmoment und mehr Leistung, stellt höhere Anforderungen an die Spannstabilität des Werkstücks, erfordert mehr Kraft zum Übertragen des Werkstückmaterials als zum Schneiden des Werkstückmaterials und stellt höhere Anforderungen an die Bohrgenauigkeit der Schraubenlöcher.
In einigen Branchen, darunter der Medizinbranche und der Luft- und Raumfahrtindustrie, wird das Gewindeschneiden durch Extrusion nicht akzeptiert. Die durch das Gewindeschneiden gebildete Gewindesteigung weist Mängel auf, und in der Luft- und Raumfahrtindustrie sind keine scharfen Spitzen (U-förmiges Zahnprofil) an der Gewindesteigung zulässig. Dieser Mangel hat jedoch keinen Einfluss auf die Zugfestigkeit des Gewindes und ist daher kein Grund, es für Allzweckteile abzulehnen.
Fräsbearbeitung von Innengewinden
Gewindefräser Verwenden Sie die Spiralinterpolation, um Innen- und Außengewinde zu schneiden. Die meisten CNC-Maschinen, die in den letzten 10–15 Jahren gebaut wurden, verfügen über Gewindefräsfunktionen.
Gewindefräsen kann mit Gewindefräsern aus Vollhartmetall oder mit Wendeschneidplatten (mit Stahlschaft und Hartmetalleinsätzen) durchgeführt werden. Mehrzahn-Gewindefräser erzeugen Gewinde in voller Tiefe in einer Umdrehung um das Loch, während einzahnige Gewindefräser nur auf einer Seite Schneidkanten haben und nur ein Gewinde gleichzeitig erzeugen können. Die meisten Gewindefräser haben jedoch mehrere Zähne.
Das Gewindefräsen eignet sich für die Bearbeitung von Werkstückmaterialien mit einer Härte von bis zu HRC 65 und zeichnet sich durch eine hohe Vielseitigkeit aus. Gewindefräser mit einer oder zwei unterschiedlichen Beschichtungen werden üblicherweise zur Bearbeitung unterschiedlicher Werkstückmaterialien eingesetzt.
Die Spankontrolle beim Gewindefräsen ist in der Regel nicht schwierig. Beim Gewindefräsen handelt es sich um einen unterbrochenen Schnitt, d. h., es können unabhängig von den Spaneigenschaften des Werkstückmaterials kurze, unterbrochene Späne entstehen.
Gewindefräser decken ein breites Größenspektrum ab, von Gewinden mit so kleinen Abmessungen wie 0–80 (Schneiddurchmesser 1,524 mm) bis hin zu Gewinden mit den größten Lochdurchmessern. Im Allgemeinen liegt die beste Lochtiefe beim Gewindefräsen bei etwa dem 2,5-fachen des Lochdurchmessers. Die Schnittkraft beim Gewindefräsen ist nicht ausgewogen. Wenn die Fräslänge zu groß ist, erzeugt die große radiale Schnittkraft einen großen seitlichen Druck, was zu Problemen wie Fräserablenkung, Schneidkantenabsplitterungen und sogar zu kleinen Fräsern führt.
Einzahn-Gewindefräser können jedoch tiefere Schraubenlöcher bearbeiten, sogar bis zum 20-fachen des Lochdurchmessers. Da alle Schnitte am Ende des Fräsers erfolgen, gibt es kein Problem der Werkzeugablenkung. Viele Benutzer, die Ölfeldausrüstung oder große Energiekomponenten herstellen, müssen Gewindefräser mit langem Schaft verwenden. Für sie ist das Fräsen mehrerer Gewinde mit einem Einzahn-Fräser langsamer, aber immer noch kostengünstiger als die Investition von $1.000 in einen 250 mm langen Gewindebohrer.
Gewindefräsen hat viele Vorteile. Mit einem einzelnen Fräser können eine Reihe von Schraubenlöchern mit gleicher Steigung und unterschiedlichen Lochdurchmessern bearbeitet werden, während ein einzahniger Fräser Schraubenlöcher mit mehreren Steigungen und mehreren Lochdurchmessern bearbeiten kann. Darüber hinaus können mit einem Gewindefräser sowohl Sacklöcher als auch Durchgangslöcher bearbeitet werden, und es können sowohl Rechts- als auch Linksgewinde bearbeitet werden. Da der Gewindefräser eine flache Bodenstruktur hat, kann er auch ein komplettes Gewinde nahe dem Boden des Sacklochs bearbeiten. Selbst wenn der Schaftfräser Brüche, ist es unwahrscheinlich, dass das Teil verschrottet wird. Schließlich kann der Gewindefräser auch mit anderen Lochbearbeitungswerkzeugen zu einem Verbundwerkzeug kombiniert werden (z. B. einem Bohr-, Anfas- und Gewindefräs-Verbundwerkzeug).
Im Vergleich zum Gewindeschneiden dauert das Gewindefräsen jedoch normalerweise länger. Da zum Gewindefräsen ein spezielles Verarbeitungsprogramm erforderlich ist, zögern einige Benutzer möglicherweise, diese Verarbeitungsmethode zu verwenden. Dieses Programm ist jedoch nicht kompliziert und kann mit vielen CNC-Programmierprogrammen kompiliert werden.
Einige Unternehmen bevorzugen immer noch das Gewindeschneiden, da sie nicht möchten, dass der Bediener in die Bearbeitung eingreift. Beim Gewindefräsen muss der Bediener einige kompensierende Anpassungen an der Werkzeugmaschine vornehmen. Der Durchmesser des Fräsers verringert sich aufgrund normaler Abnutzung allmählich. Um die entsprechende Bearbeitungsgröße beizubehalten, muss der Bediener den Werkzeugverschleiß durch Anpassungen kompensieren. Zuerst muss die Gewindetoleranz gemessen werden, und dann werden die Bearbeitungsparameter entsprechend der gemessenen Abnutzung angepasst. Der Bediener kann das Gewinde nur regelmäßig mit einer Messlehre testen. Wenn das Testergebnis nicht zufriedenstellend ist, muss der Gewindebohrer ausgetauscht werden.
Innengewinde-Drehbearbeitung
Eine weitere Möglichkeit, Innengewinde herzustellen, besteht darin, sie auf einer Mehrachsenmaschine oder Drehbank mit einer Wendeschneidplatte oder einem kleinen, massiven Bohrwerkzeug zu drehen. Dieser Vorgang kann mit ein- oder mehrzahnigen Einsätzen durchgeführt werden. Mehrzahnige Einsätze haben mehrere Zähne an jeder Schneide, wobei jeder nachfolgende Zahn tiefer schneidet als der vorherige. Die Verwendung eines mehrzahnigen Einsatzes reduziert die Anzahl der Durchgänge, die zum Fertigstellen des Gewindes erforderlich sind. Mehrzahnige Einsätze sind jedoch teurer, sodass sie für die Produktion großer Stückzahlen vorteilhafter sind, nicht für die Produktion kleiner Stückzahlen.
Innengewinde können auch mit einem Vollkörper-Bohrwerkzeug gedreht werden. Beim Drehen von Gewinden mit einem Einzahnwerkzeug können Anwender entweder eine Vollprofil- oder eine Teilprofil-Wendeplatte verwenden (Mehrzahn-Wendeplatten haben nur ein Vollprofil), wobei Vollprofil-Wendeplatten das vollständige Gewindeprofil einschließlich der Spitze erzeugen (die Wendeplatte schneidet den Kerndurchmesser des Gewindes). Bei dieser Wendeplatte ist für jede Steigung eine separate Wendeplatte erforderlich.
Vollprofil-Einsätze erzeugen stärkere und präzisere Gewinde mit weniger Durchgängen als Teilprofil-Einsätze, da sie den Außendurchmesser, den Innendurchmesser und den Teildurchmesser des Gewindes gleichzeitig erzeugen können.
Einige zahnförmige Einsätze haben keine Spitzen (sie können den Gewindedurchmesser nicht schneiden) und einige zahnförmige Einsätze haben nur einen Zahn, sodass durch unterschiedliche Schnitttiefen unterschiedliche Steigungen erzeugt werden können. Dieses Gewinde hat einen sehr scharfen Spitzenbogen, der die Festigkeit des Grobgewindes verringert und die Bearbeitung länger dauert.
Die Bandbreite der Bearbeitungsgrößen zum Drehen von Gewinden mit Wendeschneidwerkzeugen ist sehr groß und reicht vom größten Durchmesser bis hin zu Schraubenlöchern von nur 6 mm. Schraubenlöcher mit einem Durchmesser von weniger als 6 mm müssen mit Vollhartmetallwerkzeugen bearbeitet werden, und der minimale Lochdurchmesser, der bearbeitet werden kann, kann etwa 1,25 mm erreichen. Für Löcher mit großem Durchmesser hat Vargus große Schraubenlöcher mit einem Durchmesser von bis zu 0,9 m auf einer vertikalen Revolverdrehmaschine bearbeitet, die seit etwa 100 Jahren im Einsatz ist. Es gibt keine andere Möglichkeit, solche großen Lochgewinde zu bearbeiten, als das Drehen. Diese alte Werkzeugmaschine verfügt nicht über eine Funktion zur Spiralinterpolation.
Gewindedrehwerkzeuge mit Stahlschaft eignen sich zum Bearbeiten von Löchern bis zum 3-fachen Lochdurchmesser, während Werkzeuge mit Hartmetallschaft Löcher vom 4-5-fachen Lochdurchmesser bearbeiten können.
Beim Gewindedrehen können auch verschiedene Werkstückmaterialien bearbeitet werden. Gewinde können an Werkstücken mit einer Härte von bis zu HRC50 oder Hochtemperaturlegierungen wie Hastelloy und Inconel gedreht werden. Diese Materialien sind jedoch hart und abrasiv, was die Lebensdauer des Werkzeugs verkürzt.
Die Spankontrolle ist beim Innengewindedrehen entscheidend, insbesondere beim Drehen von Sacklochgewinden. Benutzer können die Schneidplattengeometrie zur Kontrolle der Späne verwenden und Zustellmethoden (einschließlich radialer Zustellung, Flankenzustellung, flankenmodifizierter Zustellung oder flankenalternierender Zustellung) oder umgekehrte Spiralmethoden (Gewindebildungsrichtung von der Spindel weg statt zur Spindel hin) verwenden, um die Spanabfuhr zu unterstützen.
Welche Zustellmethode zu verwenden ist, hängt von den Bearbeitungsbedingungen ab. In den meisten Fällen ist es jedoch vorteilhaft, eine modifizierte radiale Flankenzustellung zu verwenden, sodass dies die Standardeinstellung sein kann. Bei fast allen Werkzeugmaschinen wird die Bearbeitung jedoch im radialen Zustellmodus durchgeführt, wenn ein Parameter im Bearbeitungsprogramm nicht geändert wird.
Schleifen von Innengewinden
Das Gewindeschleifen ist ein hochpräzises Bearbeitungsverfahren und eine effektive Wahl für präzise Innengewinde mit strengen Toleranzanforderungen. Auf einer Schleifmaschine können verschiedene Innengewinde, Nuten, Laufbahnen und andere zugehörige Teilemerkmale bearbeitet werden. Typische Teile, die mit einer Innengewindeschleifmaschine bearbeitet werden können, sind Gewindelehrringe, Rollenmuttern, Kugelumlaufspindeln usw.
Das Schleifen von Innengewinden muss normalerweise auf einer speziellen Schleifmaschine durchgeführt werden. Um ein Gewinde mit einem präzisen Zahnprofil zu schleifen, muss die Installationsposition der Schleifscheibe der Werkzeugmaschine im Allgemeinen entsprechend dem Steigungswinkel des Gewindes geneigt werden. Dazu ist eine Drehachse erforderlich, die die meisten Allzweckschleifmaschinen nicht haben. Manchmal kann auch die A-Achsen-Parallelschleifmethode verwendet werden, bei der eine modifizierte (ihre Steigungsprofil korrigierte) mehrzahnige Schleifscheibe direkt in das Werkstück eingesetzt wird, um das Außengewinde zu schleifen. Für das Schleifen von Innengewinden ist jedoch eine einzahnige Schleifscheibe erforderlich, die entsprechend dem Steigungswinkel auf der A-Achse installiert ist.
Der Innendurchmesser des Gewindeschleifens mit guter Bearbeitungsökonomie beträgt normalerweise 10–25 mm. Die Faustregel für das Schleifen von tiefen Innengewinden lautet: Das Verhältnis der Länge der Schleifscheibenwelle zum Durchmesser darf 7:1 nicht überschreiten. Die größte Herausforderung beim Schleifen von tiefen Innengewinden ist der Steigungswinkel im Verhältnis zum Lochdurchmesser. Mit zunehmender Gewindelänge und abnehmendem Lochdurchmesser wird das Schleifen bei hohen Steigungswinkeln schwierig, da die Schleifspindel eher mit dem Werkstück kollidiert.
Die Spankontrolle beim Innengewindeschleifen umfasst das Spülen der Schleifzone mit Kühlmittel. Auch hier ist es schwierig, das Kühlmittel in Richtung der Raddrehung in die Schleifzone zu leiten, ohne das Rad und die Schleifspindel daran zu hindern, in das kleine Loch einzudringen, da der Innenraum des Lochs begrenzt ist.
Das Innengewindeschleifen ist hochpräzise, sodass das Rad nach der Formung präzise konturiert und bei Bedarf schnell neu konturiert werden kann. Darüber hinaus erhöht das Innengewindeschleifen die Produktivität. Das Rad kann neu konturiert werden, um verschiedene Gewindeformen zu erzeugen, ohne andere Räder wechseln zu müssen.
Eine gute Innengewindeschleifmaschine muss über mehrere Eigenschaften verfügen: gute Steifigkeit und thermische Stabilität, hohe Genauigkeit der Achsenbewegung, genaue Positionsrückmeldung im geschlossenen Regelkreis und eine temperaturgeregelte Präzisionsspindel.
Wie bestimmt ein Teilehersteller, welches Innengewindeverfahren er verwenden soll? Jedes Verarbeitungsverfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile. Wenn ein Verarbeitungsverfahren keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert, sollten andere Verarbeitungsverfahren ausprobiert werden. Bei der Bestimmung des Innengewindeverarbeitungsverfahrens ist es wichtig, zu berücksichtigen, welche Art von Werkzeugmaschine Sie haben, und die Werkzeugkosten, den Verarbeitungszyklus und die Werkzeuglebensdauer sorgfältig zu bewerten.
