Nuten- und Verzahnungsstoßen auf Drehmaschinen und Bearbeitungszentren
Nutstoßen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, wo eine Nute bzw. ein Profil durch Schnittbewegungen auf der Z-Achse erstellt wird. Die Spanntiefe wird dabei mit Bewegungen der X-Achse bestimmt. Mit dem Arbeitshub auf der Z-Achse wird je nach Spanntiefe, Material abgetragen. Die Rückbewegung ist ein Leerhub wo kein Material abgetragen wird, da es nur eine Schneiderichtung gibt.
Nuten oder Verzahnung stoßen kann man sowohl auf CNC Fräs- und Drehmaschinen als auch auf Stoßmaschinen, wobei die meisten CNC-Anwendungen auf Drehmaschinen vorkommen, da das Werkstück ohne umzuspannen fertigbearbeitet werden kann. Für Polygonprofile wie Vierkant, Sechskant, Kerbverzahnung und Keilwellen wird eine C-Achse benötigt. Um eine einzelne Nut zu stoßen, sind meistens lediglich die Z- und X-Achsen ausreichend. Dabei ist es wichtig, dass das Spannfutter der Drehmaschine verriegelt werden kann, da während der Nutstoßbearbeitung das Spannfutter fixiert bleiben muss.
Statische und Angebtriebene Stoßwerkzeuge
Es gibt statische als auch angetriebene Werkzeuglösungen. Die richtige Auswahl hängt in erster Linie von der Anzahl der Nuten/Kanten/Zähne und Werkstücken pro Monat ab. Bei geringerer Anzahl von Werkstücken bis ca. wenige Tausend Stück pro Monat sind die statische Nutstoßwerkzeuge sehr kosteneffizient. Wenn die Stückzahl jedoch über mehrere Tausend pro Monat liegt, ist ein angetriebenes Stoßgerät schneller und bietet wirtschaftlich die bessere Lösung.
Statische Nutenstoßlösungen, welche weit verbreitet sind, bestehen aus Nutstoßwerkzeuge mit zylindrischer Spannmöglichkeit und Platten in verschiedenen Geometrien, Größen und Toleranzen. Diese Technik hat zwei Bestandteile: Die Nutstoßplatte und der Plattenhalter. Die Stoßplatte wird mit einer Schraube an die Plattenhalter befestigt. Der Plattenhalter, meistens mit einem Durchmesser von 25 mm oder 32 mm, wird dann auf der CNC-Drehmaschine an einen Bohrstangenhalter bzw. einen VDI-Bohrstangenhalter mit entsprechendem Durchmesser gespannt. Für Nutzung auf Bearbeitungszentren, kann der Halter mit beliebigen Werkzeughalter mit einer zylindrischen Aufnahme, wie Spannzangenfutter oder Weldon-Aufnahme, gespannt werden.
Vergleich Statische Nutenstoßwerkzeuge – Angetriebene Nutstoßgeräte:
| Statisches Nutstoßwerkzeug | Angetriebenes Nutenstoßgerät | |
| Geschwindigkeit | ✖ | ✔ |
| Keine Belastung des Revolvers | ✖ | ✔ |
| Leistung bei sehr hohen Stückzahlen | ✖ | ✔ |
| Kosteneffizient bei kleineren Stückzahlen | ✔ | ✖ |
| Bearbeitung ohne C-Achse | ✔ | ✖ |
| Bearbeitungslänge über 70mm | ✔ | ✖ |
| Anwendung auf Bearbeitungszentren | ✔ | ✖ |
| Passfedernut, Vierkant, Sechskant, Verzahnung, Keilwelle Stoßen | ✔ | ✔ |
Durch das Vorstoßen der Platte in das Werkstück wird Schritt für Schritt die Nut bearbeitet. Dabei muss die Schnittgeschwindigkeit und die Schnitttiefe je nach Werkstückmaterial eingestellt werden. Die Erfahrung zeigt hier, dass Katalogwerte meist nur als Annäherungswerte dienen und durch verschiedene Faktoren vor Ort (Raumtemperatur, Maschinentyp, Maschinenzustand, Werkstückqualität, Kühlmittel usw.) angepasste Werte die optimale Bearbeitungsergebnisse hervorbringen können.
Häufig kommt hier die Frage, ob Nutstossen nicht eine zu hohe Belastung für den Revolver bzw. die Spindel der CNC-Maschine darstellt. Die Belastung, welche auf der CNC-Drehmaschine bzw. Bearbeitungszentrum ausgeübt wird ist vergleichbar mit einer des Bohrvorganges.
Bei Anwendungen auf Drehmaschinen ist eine Y-Achse nicht zwingend erforderlich. Wenn die Drehmaschine jedoch keine Y-Achse hat, ist eine exzentrische Buchse notwendig um die Fehler auf der theoretischen Y-Achse des Revolvers zu korrigieren. Mit der Zeit besteht auf Drehmaschinen meistens ein Spiel im hundertstel mm Bereich in der Y-Achse und damit die Nuten genau in der Mitte liegen, muss dieser Fehler mit einer Exzenterbuchse korrigiert werden. Für Vierkant-, Sechskant- und Verzahnungsbearbeitungen ist eine C-Achse zwingend erforderlich, da alle Kanten bzw. Zähne einzeln bearbeitet werden.
Vergleich Statische Nutenstoßwerkzeuge – Angetriebene Nutstoßgeräte:
| Statisches Nutstoßwerkzeug | Angetriebenes Nutenstoßgerät | |
| Geschwindigkeit | ✖ | ✔ |
| Keine Belastung des Revolvers | ✖ | ✔ |
| Leistung bei sehr hohen Stückzahlen | ✖ | ✔ |
| Kosteneffizient bei kleineren Stückzahlen | ✔ | ✖ |
| Bearbeitung ohne C-Achse | ✔ | ✖ |
| Bearbeitungslänge über 70mm | ✔ | ✖ |
| Anwendung auf Bearbeitungszentren | ✔ | ✖ |
| Passfedernut, Vierkant, Sechskant, Verzahnung, Keilwelle Stoßen | ✔ | ✔ |
Angetriebene Stoßgeräte lohnen sich bei sehr hohen Stückzahlen und sorgen langfristig für folgende Vorteile:
- Kosteneffizientes Fertigen unterschiedlicher Geometrien
- Ressourcenschonende Fertigung und Schonung der Drehmaschine
- Geringe Investitionskosten gegenüber separater Räummaschine
- Schnelle Bearbeitung. Bis zu 400-800 Hub pro Minute
Beispeilandwendung Nutenstoßgerät auf eine Drehmaschine mit C-Achse
Nutstossen oder Räumen?
Für Vierkant-, Sechskant- und Innenverzahnungsbearbeitungen ist eine alternative Methode das Räumverfahren. Rotierende Räumwerkzeuge sind relativ schnell, da das ganze Profil auf einmal bearbeitet wird und nicht alle Kanten einzeln, wie beim Nutstoßen.
Räumwerkzeuge können auch flexibel auf Drehmaschinen und Bearbeitungszentren eingesetzt werden. Da die Bearbietung aber nur in einem Durchgang stattfinden muss, ist die Belastung auf der Maschine sehr hoch. Vor allem bei größeren Durchmesser, kann die Maschine oft zum Stillstand kommen. Somit ist die Prozesssicherheit nicht garantiert, insbesondere bei größeren Durchmesser und Werkstoffe mit einer höheren Festigkeit.
Mit Nutstoßwerkzeugen, kann die Bearbeitung in so vielen Durchgängen wie nötig gemacht werden. Somit ist die Prozesssicherheit garantiert, da die Bearbeitungswerte je nach Werkstoff und Profilgröße angepasst werden kann.
Vergleich Nutstoßwerkzeuge – Rotierende Räumwerkzeuge:
| Nutstoßwerkzeuge | Rotierende Räumwerkzeuge | |
| Prozesssicherheit | ✔ | ✖ |
| Wenige Belastung des Revolvers | ✔ | ✖ |
| Bearbeitung in mehreren Durchgängen | ✔ | ✖ |
| Relativ günstiger Kaufpreis | ✔ | ✖ |
| Bearbeitungslänge über 70mm | ✔ | ✖ |
| Bearbeitungsdurchmesser über 20mm | ✔ | ✖ |
| Hohe Präzision | ✔ | ✖ |
| Passfedernut erstellen | ✔ | ✖ |
| Vierkant, Sechskant, Verzahnungsprofile erstellen | ✔ | ✔ |
| Anwendung auf Bearbeitungszentren & Drehmaschinen | ✔ | ✔ |
| Geschwindigkeit | ✖ | ✔ |
| Polygonprofile ohne C-Achse erstellen | ✖ | ✔ |
Was ist zu beachten bei Auswahl von Stoßplatten und Plattenhalter?
Es sind keine Standard-Schnittstellen Stoßplatten oder Stoßplattenhalter vorgegeben. Deshalb haben Anbieter von Nutstoßwerkzeugen in der Regel ein System mit eigenen Schnittstellen, und die Platten sind meistens nicht austauschbar.
Bei Stoßplatten ist einer der wichtigsten technischen Punkten zu beachten ist Material von den Platten. Hartmetall ist für Stoßbearbeitungen nicht geeignet, da durch niedrige Bruchfestigkeit, eine Prozesssicherheit nicht gewährleistet ist. Hartmetall-Platten können 100 Nuten erstellen, aber auch nach wenigen Bearbeitungen die Kanten abbrechen.
Bei der Herstellung von Stoßplatten müssen Werkstoffe mit hohem Verschleißwiderstand und hoher Druckbelastbarkeit bevorzugt werden, z.B. pulvermetallurgische HSS-Legierungen mit beständigen Elementen. Stoßplatten aus dafür geeigneten HSS-Legierungen haben längere Standzeit durch den Verschleißwiderstand, und eine viel größere Prozesssicherheit dank der hohen Druckbelastbarkeit.
Mit einer TIN-Beschichtung kann der Verschleißwiderstand und Standzeit von Stoßplatten noch erhöht werden. Die Geometrie der Platten ist auch ein wichtiger technischer Punkt, der unter anderem die Oberflächengüte beeinflusst.
Vergleich Gesinterte HSS-Legierung – Hartmetall:
| Gesinterte HSS-Legierung | Hartmetall | |
| Prozesssicherheit | ✔ | ✖ |
| Verschleißwiderstand | ✔ | ✖ |
| Druckbelastbarkeit | ✔ | ✖ |
| Standzeit | ✔ | ✖ |
| Konstante Oberflächengüte | ✔ | ✖ |
| Nachschleifen möglich | ✔ | ✔ |
| Relativ günstiger Materialkosten | ✖ | ✔ |
Bei den kommerziellen Aspekten sind insbesondere die Auswahl an Größe und Toleranz und Verfügbarkeit zu beachten. Wenn mehrere übliche Toleranzen zur Auswahl stehen und als Katalogware lieferbar sind, werden die Beschaffungskosten geringer im Gegenteil zu Sonderplatten auf Anfrage. Bei Nutenbearbeitungen kommen Toleranzen H7, JS9, P6 und C11 kommen am häufigsten vor.
Bei Plattenhalter ist die Stabilität von größter Bedeutung, da eine bessere Stabilität für längere Standzeit bei den Platten und bessere Oberflächenqualität. Beim Halter trägt ein längerer Schaft zur Stabilität bei, mit einer größeren Kontaktoberfläche und ggf. Befestigung mit zwei Schrauben anstatt von einer Schraube. Ein durchgängiger Unterbau hinter dem Plattensitz sorgt für Schwingungsdämpfung und erhöht somit auch die Stabilität des Halters. Kurze Halterschaft und kurze Plattensitzabschtützung muss vermieden werden, für optimale Oberfläche und Lebensdauer der Platte.
Kühlmittelzuführung durch den Halter sorgt für Entfernung der Späne, bessere Oberfläche und Schonung der Schneide.
