Das Räumen ist ein hochpräzises Bearbeitungsverfahren, das zum Abtragen von Material in einer linearen Bewegung verwendet wird, wodurch komplexe innere oder äußere Formen in Metallteilen entstehen. Das als Räumwerkzeug bekannte Schneidwerkzeug enthält eine Reihe von Zähnen, die entlang ihrer Länge an Höhe zunehmen und mit jedem Durchgang immer tiefer schneiden. Das Räumen kann entweder durch Schieben oder Ziehen des Räumens durch oder über das Werkstück durchgeführt werden, und die Wahl zwischen Push-Räumen und Ziehräumen hat erhebliche Auswirkungen auf die Geschwindigkeit, die Kosten und die Qualität des fertigen Teils. Das Verständnis der technischen Unterschiede, der Ausrüstungsanforderungen und der anwendungsspezifischen Vorteile jedes Verfahrens ist für Fertigungsingenieure, die die Produktion optimieren wollen, unerlässlich.

Was ist Push Broaching?

Das Räumen von Druck in das Werkstück wird manuell oder durch eine Presse in das Werkstück eingeführt und dann durch axiale Druckkraft hindurchgedrückt. Das Räumen wird von einem Ende her gedrückt, und die Schneidwirkung erfolgt bei der Bewegung des Werkzeugs durch das Werkstück. Dies wird typischerweise mit einer hydraulischen oder mechanischen Presse durchgeführt, obwohl einige Einrichtungen eine vertikale Räummaschine mit einem Stößel verwenden, der das Räumen nach unten treibt. Der Räumvorgang muss während des gesamten Hubs abgestützt werden, um ein Ausknicken zu verhindern, da das Werkzeug eine erhebliche Druckbeanspruchung erfährt.

Das Schieberäumen dient in erster Linie zur Herstellung von Innenelementen wie Keilkanälen, Keilverzahnungen, Vierkantbohrungen, Sechskantbohrungen und anderen unrunden Profilen. Besonders geeignet ist es bei der Bearbeitung von relativ kurzen und starren Teilen, da das Werkstück den axialen Kräften standhalten muss. Übliche Teile, die durch Schieberräumen hergestellt werden, sind Buchsen, Zahnräder, Riemenscheiben und Kupplungsnaben. Das Verfahren wird auch zum Schneiden von Außenformen verwendet, wenn das Werkstück über einen stationären Schieberraum geführt wird, wobei interne Anwendungen dominieren.

Ausrüstung für Push-Räumen

Die gebräuchlichste Einrichtung zum Räumen von Druckstößen ist eine vertikale hydraulische Presse mit einem Stößel, der den Räumvorgang durch das Werkstück schiebt, wobei das Werkstück auf einer Vorrichtung unterhalb des Stößels montiert ist und der Räumvorgang durch eine Buchse oder eine Pilotbohrung geführt wird, um die Ausrichtung zu gewährleisten. Die Hublänge und Kraftkapazität des Stößels müssen der Räumvorgangslänge und dem zu schneidenden Material entsprechen. Für die Herstellung von Großserien sind automatisierte Räumvorgänge mit Teilzuführungen und Räumvorgangssystemen verfügbar.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung von Druckräumen, die kürzer und dichter sind als Druckräumer, weil sie Druckbelastungen ohne Biegen standhalten müssen. Sie bestehen häufig aus Schnellarbeitsstahl (HSS) oder aus Hartmetall, um eine längere Standzeit des Werkzeugs zu gewährleisten. Die Vorrichtung zur Ausführung der Räumvorrichtung umfasst einen Pilotabschnitt, Vorzähne, Schruppzähne und einen Schaft. Da die Kraft auf das Ende der Räumvorrichtung ausgeübt wird, muss das Werkzeug sorgfältig gehärtet und geschliffen werden, um die Geradheit zu erhalten.

Materialien, die für Push-Räumen geeignet sind

Das Räumen von Druckplatten funktioniert gut bei duktilen Materialien wie kohlenstoffarmem Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing und Bronze. Härtere Materialien wie Werkzeugstahl oder wärmebehandelte Legierungen können druckräumbar sein, erfordern jedoch langsamere Geschwindigkeiten, robustere Ausrüstung und sorgfältige Schmierung. Der Prozess ist bei spröden Materialien weniger üblich, da die Druckkraft zu Rissen oder Abplatzen führen kann.

Vorteile von Push Broaching

  • High Speed: Der Räumvorgang durchläuft das Werkstück in einem einzigen Hub, was das Push-Räumen zu einer der schnellsten Methoden zur Herstellung von Innenprofilen macht, insbesondere in der Großserienproduktion.
  • Geringere Ausrüstungskosten: Hydraulikpressen sind im Vergleich zu den für das Ziehräumen benötigten Spezialmaschinen relativ kostengünstig.
  • Einfachheit: Die Einrichtung ist einfach; der Bediener legt das Werkstück, die Presse drückt die Räumung durch, und das Teil wird entfernt.
  • Gute Oberflächenbeschaffenheit: Die progressive Schneidewirkung hinterlässt eine glatte Oberfläche, wodurch oft die Notwendigkeit für sekundäre Nachbearbeitungsoperationen entfällt.
  • Kurze Zykluszeiten: Für Teile, die in einem einzigen Durchlauf hergestellt werden können, sind die Zykluszeiten sehr kurz, was den Durchsatz verbessert.

Grenzen des Push-Räumens

  • Die Längenbeschränkung des Werkstücks: Das Teil muss lang genug sein, damit die Räumung vollständig durchlaufen kann, aber nicht so lang, dass die Räumung sich verbiegt. Im Allgemeinen ist das Räumen mit Druck auf Teile mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von weniger als etwa 8:1 beschränkt.
  • Kraft auf Werkstück: Die Druckkraft kann dazu führen, dass dünnwandige Teile zusammenbrechen oder sich verformen.
  • Broach-Unterstützung: Die Räumung muss genau geführt werden; Fehlausrichtung kann zu Werkzeugbruch oder schlechten Toleranzen führen.
  • Begrenzt auf einfachere Formen: Während Push-Räumen verschiedene Profile erzeugen kann, erfordern extrem komplexe Formen aufgrund von Einschränkungen der Werkzeuglänge oft ein Ziehen.

Was ist Pull Broaching?

Das Räumen ist ein Verfahren, bei dem das Räumen an einem Zugmechanismus, wie einem Hydraulikzylinder, einer Kette oder einem Seil, befestigt wird, der das Werkzeug durch das Werkstück zieht. Das Räumen wird vor oder durch das Teil gelegt und dann unter Spannung gezogen, wodurch der Schnitt entsteht. Dieses Verfahren vermeidet die Druckbeanspruchung des Werkzeugs, wodurch längere und schlankere Räumungen ermöglicht werden, die längere Hübe und tiefere Schnitte erzeugen können. Das Räumen wird typischerweise an horizontalen oder vertikalen Räummaschinen durchgeführt, die speziell für diesen Vorgang entwickelt wurden.

Das Räumen von Ziehflächen wird sowohl für die Innen- als auch für die Außenflächen verwendet. Innen kann es lange Keilbohrungen, Rillen und unregelmäßige Durchgänge erzeugen. Außen wird es verwendet, um Verzahnungen, Schwalbenschwanz und andere konturierte Oberflächen an großen oder unregelmäßig geformten Werkstücken zu erzeugen. Die Fähigkeit, die Räumung durch längere Strecken zu ziehen, macht es ideal für Teile mit erheblicher Länge oder mehreren Merkmalen entlang der Achse.

Ausrüstung für Pull-Räumen

Horizontale Räummaschinen weisen ein Bett auf, an dem das Werkstück eingespannt wird, das von einem an einem Ende angeordneten Hydraulikkolben durchgezogen wird. Vertikale Räummaschinen arbeiten ähnlich, jedoch in vertikaler Ausrichtung, was kompakter ist und die Teilebeladung für bestimmte Geometrien vereinfacht. Die Maschinenkapazitäten reichen von kleinen Einheiten für Schlüsselkanäle bis hin zu massiven Industriemaschinen für große Getriebekomponenten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugs, das mit einer konstanten Kraft und einer geregelten Geschwindigkeit arbeitet. Moderne Maschinen verwenden häufig servogesteuerte Hydrauliksysteme, um die Schneidgeschwindigkeit konstant zu halten und den Stoß zu minimieren. Der Räumkopf ist üblicherweise über einen Schaft verbunden, der in einen Zugräumkopf eingreift. Im Gegensatz zum Räumkopf erfährt das Werkzeug nur Zugspannung, was längere und dünnere Räumungen ermöglicht.

Materialien, die für Pull-Räumen geeignet sind

Das Räumen mit Ziehen kann die gleiche Materialpalette wie das Räumen mit Ziehen handhaben, eignet sich aber auch für härtere Materialien, da es langsamere Geschwindigkeiten und höhere Kräfte ohne Werkzeugknicken verwendet werden kann. Es wird üblicherweise bei legierten Stählen, Gusseisen, pulverförmigen Metallbauteilen und sogar Superlegierungen verwendet. Die schonende Ziehwirkung verringert das Risiko, spröde Materialien zu zerreißen, so dass es das bevorzugte Verfahren für Sinterteile und Keramikverbundwerkstoffe ist.

Vorteile von Pull Broaching

  • Größere Hublänge: Da die Räumung unter Spannung steht, kann sie sehr lang sein, was Schnitte über längere Strecken und tiefere Merkmale ermöglicht.
  • Sanft auf empfindlichen Teilen: Die Zugbewegung komprimiert das Werkstück nicht und reduziert das Risiko von Verformungen für dünnwandige oder komplexe Formen.
  • Bessere Chip-Evakuierung: Beim horizontalen Ziehräumvorgang fallen die Späne aufgrund der Schwerkraft vom Schneidbereich weg und verbessern die Oberflächenbeschaffenheit und die Lebensdauer des Werkzeugs.
  • Fähigkeit für komplexe Formen: Pull-Räume können mit mehreren Schritten und Abschnitten entworfen werden, um komplizierte Profile in einem einzigen Durchgang zu erzeugen.
  • Höhere Präzision: Die kontrollierte Zuggeschwindigkeit und konstante Kraft ergeben oft engere Toleranzen und eine bessere Wiederholbarkeit als das Drücken, insbesondere bei längeren Teilen.

Einschränkungen des Pull-Räumens

  • Höhere Ausrüstungskosten: Pull Räummaschinen sind teurer als hydraulische Pressen, sowohl in der Anfangsinvestition als auch in der Wartung.
  • Längere Rüstzeit: Befestigungs- und Räumausrichtung brauchen mehr Zeit, weil die Räumung durch das Werkstück hindurchgehen und an beiden Enden gesichert werden muss.
  • Broach Länge: Pull-Räume sind oft mehrere Meter lang, erfordern mehr Platz für die Lagerung und Handhabung und erhöhen die Werkzeugkosten.
  • Geringe Geschwindigkeit für kleine Teile: Für kurze, einfache Funktionen kann das Ziehen langsamer sein als das Schieben, da die Broach vollständig zurückgezogen und neu geladen werden muss.

Hauptunterschiede zwischen Push-Räumen und Pull-Räumen

Der grundlegende Unterschied liegt darin, wie die Kraft angewendet wird - Kompression vs. Spannung -, aber die Auswirkungen beeinflussen jeden Aspekt des Prozesses. Die folgende Tabelle fasst die kritischen Unterschiede zusammen:

Factor Push Broaching Pull Broaching
Direction of force Compressive (push) Tensile (pull)
Tool stress High compressive stress, risk of buckling Tensile stress, no buckling
Broach length Short to moderate (typically under 24 inches) Long (can exceed 8 feet)
Stroke length Limited by press stroke and part length Longer, up to several feet
Common applications Keyways, small splines, square/hex holes Large splines, gear teeth, rifling, external surface contours
Typical part size Small to medium parts Medium to large parts
Equipment type Hydraulic/mechanical press Horizontal or vertical broaching machine
Production speed Very high for simple parts High, but slower for short features
Tool cost Lower (shorter, simpler geometry) Higher (longer, may be sectional)
Precision Good, but limited by tool deflection Excellent, especially for long features
Ideal for delicate parts No (compressive force can distort) Yes (pulling is gentle)

Hinweis: Die obige Tabelle ist eine allgemeine Anleitung. Die tatsächliche Leistung hängt vom Maschinenzustand, vom Werkzeugdesign und vom Werkstückmaterial ab.

Faktoren, die bei der Auswahl einer Broaching-Methode zu berücksichtigen sind

Die Wahl zwischen Push- und Pull-Räumen erfordert die Bewertung mehrerer miteinander verbundener Faktoren.

Teilegeometrie und -größe

Kurze, starre Teile mit einfachen Innenprofilen sind ideale Kandidaten für das Schieberäumen. Umgekehrt werden lange Teile, große Bauteile oder Teile, die tiefe äußere Merkmale erfordern, besser durch Ziehräumen bedient. Beispielsweise ist eine Stahlbuchse mit einem kleinen Schlüsselkanal am besten schiebend geräumt, während eine schwere LKW-Getriebewelle mit mehreren langen Keilverzahnungen eine Ziehräumung erfordert. Die Wandstärke des Teils ist wichtig: dünne Wände können dem Druck des Schieberäumens nicht standhalten, ohne Verzerrungen, so dass das Ziehräumen sicherer ist.

Produktionsmenge

Für die großvolumige Produktion von Kleinteilen (Tausende pro Tag) bietet das Push-Räumen die schnellsten Taktzeiten und die niedrigsten Werkzeugkosten pro Teil. Die Einfachheit einer hydraulischen Presse ermöglicht schnelle Umschaltungen zwischen Teilfamilien. Für mittlere bis große Mengen größerer Teile können Pull-Räummaschinen, obwohl sie pro Zyklus langsamer sind, einen ähnlichen Durchsatz erzielen, indem sie mehrere Merkmale in einem Durchgang bearbeiten.

Material und Härte

Weichere, duktile Materialien sind für das Schubräumen gut geeignet. Mit zunehmender Materialhärte steigt die Gefahr des Werkzeugbruchs bei Kompression, wodurch das Zugräumen zuverlässiger wird. Bei gehärtetem Stahl (über 35 HRC) ist das Zugräumen mit langsameren Geschwindigkeiten und Hartmetallwerkzeugen Standard. Auch Gusseisen und Metallpulver, die spröde sein können, profitieren vom Zugverfahren.

Anforderungen an Toleranz und Oberflächenbearbeitung

Beide Verfahren können Toleranzen von ± 0,001 Zoll oder besser erreichen, aber das Ziehräumen liefert aufgrund des besser geführten Werkzeugwegs im Allgemeinen konsistentere Ergebnisse über längere Teile hinweg. Oberflächengläserungen liegen typischerweise zwischen 32 und 63 Mikrozoll Ra mit geeignetem Kühlmittel und scharfen Werkzeugen; das Schieberäumen kann leichte Markierungen am Eingang oder Ausgang hinterlassen, wenn es nicht richtig unterstützt wird. Wenn eine Spiegelgläserung erforderlich ist, wird das Ziehräumen mit einem Endbearbeitungsabschnitt bevorzugt.

Kostenüberlegungen

Eine hydraulische Presse für das Schieberäumen ist wesentlich billiger als eine dedizierte Ziehräummaschine. Für die laufende Produktion sind die Werkzeugkosten für das Ziehräumen jedoch aufgrund längerer und komplexerer Räumungen höher, aber die Lebensdauer des Werkzeugs kann bei ordnungsgemäßer Wartung länger sein. Für kleinvolumige Arbeiten ist das Schieberräumen an einer vorhandenen Presse wirtschaftlich; für die dedizierte großvolumige Produktion von großen Teilen rechtfertigt die Effizienz einer Ziehräummaschine die höheren Vorlaufkosten.

Broach Tool Design: Push vs. Pull

Die Räumwerkzeuge selbst unterscheiden sich erheblich zwischen den beiden Verfahren. Drückräumwerkzeuge weisen an einem Ende einen Schaft auf, an den der Pressenstößel anstößt, und die Zähne werden entlang des Körpers geschnitten, der robust genug sein muss, um einem Knicken zu widerstehen. Die Zahngeometrie - Rechenwinkel, Freiwinkel, Stegbreite - ist so ausgelegt, dass die Spanbildung beherrschbar ist und Schneidkräfte reduziert werden.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anbringen von Spannzangen mit einem Langloch oder Gewindeloch, das einen Schlitz oder eine Gewindebohrung für den Zugkopf aufweist. Der Körper kann schlanker und länger sein, weil er unter Spannung steht. Viele Spannzangen werden in Abschnitten hergestellt, so dass verschlissene Segmente ausgetauscht werden können, anstatt das gesamte Werkzeug zu verschrotten. Diese modulare Bauweise reduziert die Kosten für Langzeitwerkzeuge. Die Zahnkonstruktion in Spannzangen kann größere Erhöhungen pro Zahn aufweisen, was einen schnelleren Materialabtrag in einem einzigen Durchgang ermöglicht, aber eine höhere Maschinenleistung erfordert.

Beide Typen beruhen auf der richtigen Spanlast, Spanbrechergeometrie und Kühlmittelzufuhr. Eine effiziente Spanabfuhr ist entscheidend; beim Schieberräumen werden Späne vor das Werkzeug geschoben, so dass das Werkstück Freiräume haben muss oder der Räumplatz entsprechend dimensionierte Spankanäle haben muss. Beim horizontalen Ziehräumen fallen Späne nach unten, wodurch das Risiko von Verstopfungen verringert wird.

Sicherheits- und Wartungsaspekte

Räummaschinen, ob Push- oder Pull-Maschinen, erfordern hohe Kräfte und scharfe Werkzeuge. Sicherheitsprotokolle müssen verriegelte Schutzvorrichtungen umfassen, um den Zugang während des Hubs zu verhindern, Not-Halt-Tasten und regelmäßige Inspektion des Räumzustands. Push-Räumpressen erfordern eine sorgfältige Ausrichtung, um eine Explosion des Werkzeugs zu vermeiden, wenn die Räumschnallen auslaufen. Die Bedienungspersonen müssen für den Umgang mit schweren Räummaschinen, insbesondere langen Zugräummaschinen, mit Oberkopfkranen oder Hebezeugen geschult werden.

Die Wartung konzentriert sich auf die Sauberkeit und die Unbedenklichkeit der Maschinenhydraulik, die Überprüfung von Führungsbuchsen und Verschleißplatten sowie die Sicherstellung, dass der Zugmechanismus (Kette, Kabel oder Hydraulikzylinder) in gutem Zustand ist. Die Ritzen sollten regelmäßig geschärft werden. Die stumpfen Zähne erhöhen die Schneidkräfte und können das Werkstück beschädigen.

Fortgeschrittene Themen im Broaching

CNC-Räumen

Moderne CNC-Maschinen können Räumarbeiten mit speziellen Aufsätzen oder mit der Spindel durchführen, um eine Räummaschine zu schieben oder zu ziehen, obwohl dedizierte Maschinen dominant bleiben. CNC-Räumen ermöglicht eine flexible Produktion mit schnellen Umschaltungen zwischen verschiedenen Profilen, aber Zykluszeiten sind im Allgemeinen länger als bei einer hydraulischen Presse. Dieser Ansatz ist nützlich für Prototyping und Produktion mit geringem Volumen.

Oberflächenräumung

Sowohl das Schiebe- als auch das Ziehverfahren können bei der Außenräumung angewendet werden, bei der das Werkstück gegen eine stationäre Räumung gedrückt wird, bei der Zugräumung wird die Räumung über die Werkstückoberfläche gezogen, was bei der Herstellung von ebenen Flächen, abgewinkelten Schlitzen oder ungewöhnlichen Konturen an Motorblöcken, Zylinderköpfen und anderen Gussteilen üblich ist.

Horizontal vs. Vertikale Räummaschinen

Horizontalräummaschinen sind für das Ziehräumen typisch, da sie lange Hübe und eine leichte Spanentfernung ermöglichen. Vertikalräummaschinen werden häufig zum Schieberräumen eingesetzt, weil sie die Teilebeladung von oben handhaben und in einigen Fällen die Schwerkraft nutzen können, um den Spänefall zu unterstützen. Einige vertikale Ziehräummaschinen existieren für schwere, schwer zu befestigende Teile. Die Wahl der Orientierung beeinflusst die Bodenfläche, die Teilehandhabung und die Automatisierungskompatibilität.

Kühlmittel und Schmiermittel

Beim Räumen wird das Kühlmittel durch Bohrungen im Räumraum oder durch äußere Düsen in die Schneidzone geleitet. Beim Räumen ist das Flutmedium leichter aufzubringen, da Werkzeug und Werkstück leichter zugänglich sind. Durch die Wahl des Kühlmittels kann die Lebensdauer des Werkzeugs um 30 % oder mehr verlängert werden.

Real-World Beispiele

Beispiel 1: Kleiner Schlüsselkanal in einer Stahldurchführung. Ein Hersteller von Hydraulikkomponenten benötigt 10.000 Durchführungsteile pro Monat, wobei jeder einen 0,25-Zoll-Schlüsselkanal benötigt. Bei Verwendung einer vertikalen hydraulischen Presse mit einer Druckräumung beträgt die Zykluszeit etwa 10 Sekunden pro Teil, einschließlich Be- und Entladen. Die Gesamtbetriebskosten sind niedrig und die Teilequalität ist konsistent. Das Ziehräumen wäre für dieses einfache, kurze Teil übertrieben und langsamer.

Beispiel 2: Große Keile in einer Getriebewelle. Ein Automobilzulieferer muss 8-Zoll-lange Innenkeile auf geschmiedeten Stahlwellen herstellen. Das Material ist 8620 legierter Stahl, der auf 58 HRC eingebrannt ist. Die erforderliche Toleranz für den Hauptdurchmesser beträgt ±0,001 Zoll. Eine horizontale Ziehräummaschine mit einer segmentierten Hartmetallräummaschine wird verwendet. Die Räummaschine wird mit einer Geschwindigkeit von 10 Zoll pro Minute durchgezogen, wodurch die Keile in weniger als einer Minute vervollständigt werden. Die Ziehwirkung stellt sicher, dass die Keile konzentrisch sind und die Welle sich nicht verzieht. Push-Räumen würde das Risiko eingehen, die Räume auszubeulen und die Welle zu verformen.

Beispiel 3: Komplexe Außenkontur eines Gusseisenbauteils. Ein Hersteller großer Luftkompressoren benötigt eine Reihe von abgewinkelten Schwalbenschwanzschlitzen an einem Zylinderkopf. Das Teil ist schwer und unregelmäßig geformt. Eine vertikale Ziehräummaschine mit einer kundenspezifischen Oberflächenräummaschine wird verwendet. Der Räumvorgang wird durch das feststehende Werkstück nach oben gezogen, wodurch das Profil in einem Takt erzeugt wird. Das Verfahren ermöglicht eine genaue Positionierung mehrerer Schlitze, ohne das Teil neu zu positionieren.

Schlussfolgerung

Die Entscheidung zwischen dem Räumen mit Druck und dem Räumen mit Zug hängt von den spezifischen Anforderungen des Projekts ab. Das Räumen mit Druck zeichnet sich durch Geschwindigkeit und Wirtschaftlichkeit bei kurzen, einfachen Teilen aus, die aus duktilen Materialien hergestellt sind, insbesondere bei der Herstellung von internen Merkmalen wie Schlüsselkanälen und kleinen Keilen. Das Räumen mit Zug bietet die Vielseitigkeit, die sanftere Wirkung und den längeren Hub, die für große, empfindliche oder komplexe Teile erforderlich sind, wobei bei längeren Merkmalen oft engere Toleranzen erreicht werden. Durch sorgfältige Berücksichtigung von Bauteilgeometrie, Material, Volumen und Budget können Ingenieure die optimale Räummethode auswählen, um ihre Qualitäts-, Kosten- und Durchsatzziele zu erreichen.

Für weitere Informationen zu den Grundlagen des Ansprechens, besuchen Sie den Leitfaden der Gesellschaft der Fertigungsingenieure. Detaillierte Spezifikationen zum Ansprechen von Werkzeugen finden Sie unter American Machinist. Für Ratschläge zur Maschinenauswahl siehe Modern Machine Shop’s Artikel über die Auswahl von Maschinen.