Kleingewinde in Rekordzeit

Als Technologiepartner unterstützt die Firma Kern Microtechnik Präzisionsfertigungsbetriebe in jeglicher Hinsicht

Präzisionsmaschinenbauer integriert Punch Tap-Technologie für M1 bis M3

Als Technologiepartner unterstützt die Firma Kern Microtechnik Präzisionsfertigungsbetriebe in jeglicher Hinsicht – auch beim hochproduktiven Erzeugen von kleinen Innengewinden.
Ab sofort lässt sich in der kompletten „Micro“-Baureihe das „Punch Tap“- Verfahren von EMUGE nutzen.
Tests des Werkzeugherstellers weisen Zeitersparnisse bis zu 66 % nach.
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Höchstpräzise, kleine Bauteile prozesssicher herzustellen und miteinander als Baugruppen zu verbinden, ist eine besondere Herausforderung, der sich unter anderem Unternehmen der Uhren-/Schmuckindustrie sowie der Hochfrequenz- und Vakuumtechnik stellen müssen.

Hierfür sind unter anderem innovative Bearbeitungszentren wie eine Kern Micro notwendig, die bei Bedarf eine dauerhafte Präzision von kleiner als 1 μm sowie reproduzierbare Oberflächengüten Ra im niedrigen Nanometerbereich gewährleisten.
Kern Microtechnik aus Eschenlohe beschäftigt rund 200 Mitarbeiter und ist weltweit in mehr als 30 Ländern erfolgreich tätig.

Zwei Geschäftsfelder stehen im Mittelpunkt: Die Entwicklung und Herstellung von höchstpräzisen Bearbeitungszentren und die Auftragsfertigung von Frästeilen im Mikro- und Nanobereich. Fräszentren von Kern werden unter anderem in der eigenen Serienauftragsfertigung eingesetzt. Daher ist der Maschinenbauer perfekt gerüstet, um nicht nur hochpräzise Maschinen herzustellen, sondern deren Anwender auch mit dem erforderlichen Prozess-Know-how zu begleiten.

Das Produktportfolio der Auftragsfertigung umfasst die Prototypen-, Einzelteil- und Serienfertigung ebenso wie die Baugruppenmontage und Unterstützung bei der Konstruktionserstellung. Bearbeitet werden die Teile durch Fräsen, Bohren, Erodieren und Schleifen.

Neben der hohen Qualität müssen die präzisen Maschinen von Kern, ebensolche Produktivitätsanforderungen erfüllen. Auch an diesem Punkt setzen die verantwortlichen Ingenieure an und optimieren ihre Technik regelmäßig. Spanabtrag sowie Achsbeschleunigungen werden stets erhöht; und ab sofort lassen sich Mikro Innengewinde in den Größen M1 bis M3 beispielsweise in Aluminium bis zu drei Mal so schnell erzeugen, als das bisher möglich war.

Die schnellen Punch-Gewinde können in vielen Märkten Produktivitätsvorteile bringen: zum Beispiel in der Uhren-/Schmuckindustrie (im Bild ist eine Uhrenplatine zu sehen) sowie in der Hoch frequenz- und Vakuumtechnik. Bild: Kern Microtechnik

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Punch-Werkzeuge als Mikro-Serie eingeführt

Entscheidend dafür ist eine neue Methode zur Gewindeherstellung, der EMUGE Punch Tap. Vor rund fünf Jahren kam dieser erstmals auf den Markt und wurde ursprünglich für die Automobilindustrie in der branchengängigen Größe M6
konzipiert.

EMUGE-FRANKEN sammelte damit viele Erfahrungen und erweiterte das Werkzeugprogramm im nächsten Schritt auf die Durchmesser M3 bis M10.
Jürgen Lange, Entwickler bei EMUGE, erklärt: „Nach oben wird die Gewindegröße durch die hohen Drehmomente begrenzt, die ein Punch Tap benötigt. Nach unten sahen wir aber noch Spielraum und vergrößerten unser Programm entsprechend.“
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2019 führte EMUGE-FRANKEN die Werkzeuge der „Mikro“-Serie“ ein, welche die Durchmesser M1 bis M3 umfasst. Sie werden gerne von Smartphone-Herstellern genutzt und wecken auch das Interesse von Kern Microtechnik.
Alexander Stauder, Leiter Anwendungstechnik bei Kern, macht deutlich: „Wir haben das Produktivitätspotential in diesem Prozess erkannt und wollen es für unsere Kunden möglich machen, dieses zu erschließen.“ Basis für den Punch Tap ist ein innovatives Bearbeitungsprinzip.

Mit zwei gegenüberliegend angeordneten Zahnreihen wird das Spezial-Gewindewerkzeug, im Bruchteil einer Sekunde in ein vorgebohrtes Loch hineingestoßen. Bei diesem Vorgang entstehen zwei Nuten. Danach dreht die Spindel um 180 ° links herum, während die axiale Vorschubachse sich gleichzeitig um eine halbe Gewindesteigung zurückzieht. Mit dieser Bewegung wird das Gewinde geformt. Da sich die Zahnreihen nun wieder in den vorher erzeugten Nuten befinden, lässt es sich anschließend einfach herausziehen – fertig.
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Gewinde in bleifreies Messing punchen

Als weitere Voraussetzung für das Gelingen des Punch Tap nennt der EMUGE-Ingenieur die Beschaffenheit des zu
bearbeitenden Materials: „Die Werkstoffe müssen gut formbar sein, wie etwa Guss- und Knet-Aluminiumlegierungen. Stahl ist aktuell nicht bearbeitbar, und auch ‚normale‘ Messinglegierungen eignen sich nicht, da sie eine zu geringe Bruchdehnung haben, um mit einem formenden Verfahren bearbeitet werden zu können.“

In einigen Kern-Kundenmärkten – wie der Uhrenindustrie – kommt aber häufig „EcoBrass“ (bleifreies Messing) zum Einsatz. Durch das Fehlen von Blei lässt sich dieses Material gut formen und kommt somit auch für den Punch Tap in Frage. Dies war Grund genug für Kern und EMUGE-FRANKEN, im März und Oktober 2020 auf verschiedenen Bearbeitungszentren gezielte Gewindepunch-Versuche durchzuführen, um eine geeignete Zyklusvariante für EcoBrass festzulegen.

Inzwischen funktioniert der Punch Tap-Prozess auch in EcoBrass zuverlässig und ist für die Mikro-Gewindeserie auf der gesamten Kern-Micro-Plattform implementiert. Die umsetzbare Gewindegröße hängt letztlich von der Spindel ab, mit der das jeweilige Bearbeitungszentrum ausgestattet ist.
So lassen sich mit HSK-25-Spindeln (1,1 Nm Drehmoment) bis zu 2 x D tiefe M2-Gewinde erzeugen. Verfügt die Maschine über eine HSK-40-Spindel (5,9 Nm Drehmoment), sind sämtliche Gewindegrößen bis M3 herstellbar.
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Punch Tap-Zyklus in Kern-Maschinen

Der Punch Tap-Zyklus steht ab sofort in allen neuen Maschinen der Kern-Micro-Baureihen standardmäßig zur Verfügung. Kern Ingenieur Stauder ergänzt dazu: „Auf Wunsch unserer Kunden rüsten wir auch deren Bestandsmaschinen damit auf, parametrieren sie und schalten den Zyklus in der Steuerung frei.“

Dieser kann dann vom verantwortlichen Programmierer einfach in die relevanten Programme integriert werden.Grundsätzlich enthält der Gewindepunch-Zyklus drei verschiedene Bewegungsablauf Varianten. Welche zu verwenden ist, hängt von Material, Gewindegröße und Spindel ab. In Aluminium eignet sich häufig die schnellste Variante.

Bei EcoBrass stellt sich das etwas anders dar, wie die Testingenieure während der Versuche feststellten. EMUGE-Entwickler Lange erläutert: „Das bleifreie Messing fließt nicht so gut wie Aluminium. Daher empfehlen wir hierfür eine softe Zyklusvariante, die das Gewinde nochmals nachformt.“ Der Produktivitätsvorteil bei bleifreiem Messing liegt damit laut Kern gegenüber dem Gewindebohren/-schneiden immer noch bei knapp 60 %. Dabei sind die Gewinde stets lehrenhaltig und erfüllen beste Qualitätsansprüche.

Formen versus Punch Tap

Diverse Tests mit Kleingewinde-Werkzeugen weisen im M2-Vergleichstest eindeutige Produktivitätsvorteile für den Punch Tap nach. Ein Beispiel aus der Versuchswerkstatt: In Aluminium wurden Gewinde M2–6H mit einer Gewindetiefe von 4 mm eingebracht.

Beim Gewindeformen mit 3000 min-1 wurde eine Fertigungszeit von circa 0,9 s erfasst. Der Punch Tap erzeugte das Gewinde mit 400 min-1 in 0,3 s bis 0,4 s – je nach an -gewendeter Zyklusvariante. Die Zeiteinsparung beträgt demnach bis zu 66 %.

Fachartikel Punch Tap