Komplettbearbeitung von Hydraulikzylindern durch Schälen auf Standard-Werkzeugmaschinen

So erzeugt man IT8 und R_a < 0,1 µm in der Fertigung

Hydraulikzylinder sind spezielle Bauteile mit hohen Anforderungen an Rundheit und Oberflächenrauheit, was die Fertigung herausfordernd macht. Gleichzeitig werden Hydraulikzylinder im Maschinenbau als Standardbauteile betrachtet. Sie werden häufig eingesetzt und gelten als technisch nicht besonders anspruchsvoll, was dazu führt, dass die Preise für Hydraulikzylinder vergleichsweise gering sind. Damit ist für die aufwendige Fertigung zusätzlich ein hoher Kostendruck vorhanden. Viele Hersteller haben sich daher darauf spezialisiert, die Konstruktion und Herstellung des Gesamtzylinders zu optimieren und greifen auf Halbzeuge mit hoher Qualität zurück. 

Für den Zylinder bedeutet das, dass gerade in der Zylinderrohrfertigung auf fertig bearbeitete Rohre zurückgegriffen wird. Die Rohre sind innen komplett bearbeitet und müssen lediglich auf Länge gebracht und mit Anschlussmaßen versehen werden. Die Rohrfertigung wird heute durch den kombinierten Prozess Schäl-Glattwalzen auf Tiefbohrmaschinen erledigt. Im Vergleich zum früher üblichen Honen konnte so die Bearbeitungszeit signifikant reduziert werden. 

Die Frage ist aber, ob vor dem Hintergrund steigender Preise nicht auch eine Komplettbearbeitung auf einer üblichen Werkzeugmaschine in der eigenen Fertigung erfolgen kann? Dies würde die Flexibilität erhöhen und gleichzeitig Kosten für das Rohmaterial drastisch senken. 

ECOROLL hat daher das Prinzip der Schäl-Glattwalzwerkzeuge übernommen und für die Nutzung auf Dreh- oder Fräsmaschinen angepasst. Mit den sogenannten SKIOC-Werkzeugen lassen sich heute auch Rohre durch Innenschälen direkt auf der Maschine herstellen. 

Die Werkzeuge bestehen aus einem Grundkörper in dem zwei oder drei Schälmesser enthalten sind. Auf jedem Schälmesser sind zwei spezielle Wendeschneidplatten zum Innenschälen hintereinander angeordnet. Der Vorschneider bringt die Bohrung zunächst auf ein einheitliches Maß, man könnte sagen, er säubert die Bohrung. Der Fertigschneider erzeugt dann mit einer Schnitttiefe von a_p = 0,1 – 0,2 mm die finale Oberfläche. 

Damit eine perfekt runde Bohrungsform entsteht, wurde das bewährte OMEGA-Prinzip übernommen. Dabei beeinflussen sich die Schälmesser gegenseitig. Sie sind schwimmend gelagert, so dass ein Eindrücken eines Schälmessers zum Ausfahren der anderen Messer führt. Führungsleisten führen das Werkzeug dann entsprechend in der vorhandenen Bohrung. 

Durch die Anzahl von zwei oder drei Schneidmessern und die Orientierung der Schneide eher in axialer Richtung lassen sich sehr produktive Schnittwerte realisieren. Eine Schnittgeschwindigkeit von v_c = 100 – 300 m/min kombiniert mit einem Vorschub von f = 1 – 3 mm ist für diesen Prozess üblich. 

Das Werkzeug wird durch den Kühlschmierstoffdruck aktiviert, wodurch die Schneiden nicht nur stabil auf dem Bearbeitungsdurchmesser bleiben, sondern auch nach dem Prozess kollabieren und im Eilgang aus der Bohrung gezogen werden können. Dabei wird die erzeugte Oberfläche nicht zerstört. Für die Aktivierung muss die Maschine entsprechend nachgerüstet sein. Die Anforderungen liegen hier bei einem Druck von mindestens 70 bar und einer Durchflussmenge von 12-24 l/min.

Die hohe Durchflussmenge wird vor allem dafür benötigt, die Späneabfuhr zu unterstützen. Düsen an der Schneide schießen die Späne nach vorne aus dem Rohr heraus. Eine Abfuhr nach hinten, wie beim klassischen Bohren ist leider nicht möglich. Dies führt zu einer zweiten technischen Anforderung an die Maschine: Die Späne müssen sicher aus dem Rohr herausgeführt werden. 

Dazu muss das Spannmittel so gestaltet sein, dass hinter dem Rohr ein offener Spanraum vorhanden ist. Das Bild zeigt zum Beispiel eine offene Laterne hinter dem Spannmittel, in der sich Späne sammeln und auch herausgeschleudert werden können. Das Spannmittel muss hier dann individuell auf das Bauteil ausgelegt sein. 

Durch das Schälen, also den Zerspanprozess, wird bereits eine hohe Rundheitsgenauigkeit von IT8 erreicht. Gleichzeitig lässt sich aber auch das Oberflächenergebnis sehen. Am Beispiel eines Kundenversuchs, bei dem ein Rohr aus 42CrMo4 bearbeitet wurde, konnte wir eine gemittelte Rautiefe von R_z = 8 µm und eine arithmetische Rauheit von R_a = 2 µm erreichen. Dabei wurde mit einer Schnittgeschwindigkeit von v_c = 175 m/min und einem Vorschub von f = 3,5 mm gearbeitet. 

Für die Herstellung eines Hydraulikzylinders reicht diese Oberflächenqualität natürlich noch nicht aus. Ein üblicher Glattwalzprozess mit einem mehrrolligen mechanischen Werkzeug als finaler Bearbeitungsschritt ist dann aber in der Lage die Oberflächenqualität auf einen R_a-Wert von R_a < 0,1 µm zu reduzieren. Und dies ist eine ausreichende Qualität für die Fertigung von Hydraulikzylindern.