Die verschiedenen Arten von Räumprozessen in der Fertigung verstehen

Räumen ist ein Präzisionsbearbeitungsverfahren, bei dem Material mit einem Mehrzahnwerkzeug, einem sogenannten Räumen, entfernt wird. Jeder Zahn ist progressiv höher als der vorherige, so dass sich der Räumvorgang linear oder rotatorisch relativ zum Werkstück bewegt, eine Reihe von flachen Schnitten erfordert. Das Ergebnis ist eine fertige Oberfläche in einem einzigen Durchgang mit außergewöhnlicher Genauigkeit und Wiederholbarkeit. Räumen wird in großvolumigen Produktionsumgebungen weit verbreitet, in denen komplexe interne oder externe Profile erforderlich sind, wie z. B. Schlüsselkanäle, Keile, Verzahnungen und polygonale Formen.

Das Verständnis der verschiedenen Räumprozesse, ihrer Fähigkeiten und Grenzen ist für die Auswahl der richtigen Methode für ein bestimmtes Teil unerlässlich.In diesem Artikel werden die wichtigsten Arten von Räumarbeiten, Überlegungen zum Werkzeugbau, Maschinenkonfigurationen, Anwendungen und bewährten Verfahren untersucht.

Was ist Broaching?

Das Räumen ist ein subtraktives Herstellungsverfahren, das sowohl interne Merkmale (z. B. Löcher, Schlüsselkanäle, Keilbohrungen) als auch externe Merkmale (z. B. Sechskantformen, Flachen, Nuten) erzeugen kann. Das Räumwerkzeug ist mit einer Reihe von Schneidzähnen ausgestattet, die jeweils geringfügig größer sind als die vorhergehenden. Beim Schieben, Ziehen oder Drehen des Räumwerkzeugs durch das Werkstück entfernt jeder Zahn einen dünnen Span. Ein einziger Durchgang vervollständigt normalerweise den gesamten Schnitt, wodurch das Räumen für großvolumige Durchläufe äußerst effizient ist.

Der Vorgang wird durch die Richtung der Werkzeugbewegung relativ zum Werkstück (linear vs. rotativ) und durch die Lage des Schnittes (intern vs. extern) klassifiziert, wobei zusätzlich unterschieden wird, ob das Werkzeug geschoben (Push-Räumen) oder gezogen (Pull-Räumen) und ob der Vorgang vertikal oder horizontal erfolgt.

Lineares Räumen

Beim linearen Räumen, das oft als "konventionelles" oder "geradliniges" Räumen bezeichnet wird, wird das Räumwerkzeug geradlinig entlang seiner Achse bewegt, wobei das Werkstück während des Schiebens oder Ziehens durch (oder über) das Räumen stillsteht. Das lineare Räumen ist die häufigste Art und wird für eine Vielzahl von Innen- und Außenprofilen verwendet.

Interne lineare Räumungen

Beim inneren Linearräumen wird der Räumvorgang durch ein vorgebohrtes oder vorgegossenes Loch durchgeführt, wobei die Zähne beim Durchlaufen des Werkzeugs durch das Werkstück das Loch vergrößern und das gewünschte Profil erzeugen.

  • Keyways – Steckplätze für Schlüssel, die Wellen mit Naben verbinden.
  • Splines – Innenverzahnung zur Drehmomentübertragung.
  • Quadrat- oder Hex-Löcher – typischerweise für Werkzeughalter oder Befestigungselemente.
  • Serrationen – feine Zahnmuster zum Verriegeln oder Ausrichten.

Das Räumwerkzeug für die Innenarbeit ist lang und schlank, mit Zähnen, die allmählich in Breite und Höhe zunehmen. Die Räumung wird vom Werkstück selbst geführt, so dass das Anfangsloch genau positioniert werden muss.

Externes lineares Räumen

Das Räumwerkzeug ist in der Regel eine flache oder konturierte Stange, die sich über das Teil bewegt und von außen Material abträgt. Beispielsweise werden Flachschnitte auf Wellen geschnitten, Schwalbenschwanzschlitze erzeugt oder komplexe Profile am Umfang eines Teils gebildet.

Da das Werkstück fest gehalten werden muss, weisen externe Räummaschinen häufig Spannvorrichtungen auf, die das Teil in die Werkzeugbahn einstufen, wobei das Verfahren sowohl auf kleine als auch auf große Teile angewendet werden kann, obwohl die Werkzeugkosten für komplexe äußere Formen im Allgemeinen höher sind.

Push Broaching vs. Pull Broaching

Lineares Räumen kann durch die Richtung der Krafteinwirkung weiter unterteilt werden:

  • Ziehendräumung – Die Räumung wird durch das Werkstück gezogen. Die Räumung steht unter Spannung, was dazu beiträgt, die Geradheit zu erhalten und das Knicken zu verringern.
  • Push-Räumen – Die Räumung wird durch das Werkstück geschoben. Diese Methode ist durch die Säulenfestigkeit begrenzt und wird typischerweise für kürzere Werkzeuge und kleinere Querschnitte verwendet.

In der Praxis ist das meisten Räumen in der Produktion ein Ziehräumen, da es eine längere Lebensdauer des Werkzeugs und eine bessere Absaugung der Chips ermöglicht.

Rotationsräumung

Das Räumen, manchmal auch als "Spin-Räumen" oder "Nibbling" bezeichnet, erzeugt äußere oder innere Formen an einem rotierenden Werkstück. Das Räumwerkzeug selbst dreht sich in einem geringen Winkel (typischerweise 1°-3°) zur Werkstückachse, wodurch jeder Zahn schrittweise in Eingriff kommt. Das Räumen wird an Drehmaschinen, Fräsmaschinen oder speziellen Räummaschinen durchgeführt.

Außenrotationsräumung

Durch das äußere Rundräumen werden an den Enden von zylindrischen Teilen, wie Sechskant, Quadrat und anderen benutzerdefinierten Geometrien, polygonale Formen erzeugt, wobei das Werkstück in einem Spannfutter oder einer Spannzange gehalten wird und das rotierende Räumwerkzeug in das Ende des Teils eingeführt wird. Da das Werkzeug leicht abgewinkelt ist, berührt nur jeweils ein Zahn das Werkstück, wodurch die Schneidkräfte reduziert und die Form in Bruchteilen von Sekunden geschnitten werden kann.

Typische Anwendungen:

  • Sechskantköpfe auf Bolzen, Schrauben und Bolzen
  • Viereckige Enden auf Schäften für Schlüssel oder Steckdosen
  • Torx oder andere proprietäre Antriebsformen
  • Innenverzahnung an der Innenseite einer Bohrung (Innendrehräumung)

Innenrotationsräumung

Durch das Innendrehräumen werden präzise Innenvielkantprofile oder -schlitze erzeugt, wobei das Werkzeug in ein Vorloch eingesetzt wird und die Zähne beim Drehen und Vorschieben die gewünschte Form schneiden. Dieses Verfahren ist besonders effektiv zur Herstellung von Innensechsen, Quadraten oder Keilen in kleinen bis mittleren Bohrungen. Innendrehräumungen finden breite Anwendung bei der Herstellung von Hydraulikarmaturen, Ölbohrteilen und medizinischen Instrumenten.

Vorteile von Rotary Räumung

  • Sehr schnelle Zykluszeiten (oft weniger als 5 Sekunden pro Teil)
  • Keine spezielle Räummaschine erforderlich – verwendet Standarddrehmaschinen oder -mühlen
  • Niedrige Werkzeugkosten im Vergleich zu linearem Räumen für die Produktion von Kleinserien
  • Produziert bei richtiger Aufstellung gratfreie Oberflächen

Broach Tool Design und Materialien

Die Gestaltung eines Räumwerkzeugs ist für die Prozessleistung von entscheidender Bedeutung. Jede Zahngeometrie – einschließlich des Spanwinkels, des Freiwinkels, der Landbreite und der Zahnteilung – ist so konzipiert, dass sie die Spanbildung, die Wärmeabfuhr und den Werkzeugverschleiß steuert. Brochen werden typischerweise aus Hochgeschwindigkeitsstahl (HSS), Hartmetall oder Kobaltlegierungen mit Beschichtungen wie TiN, TiCN oder AlTiN für eine längere Lebensdauer des Werkzeugs hergestellt.

Zu den wichtigsten Konstruktionsparametern gehören:

  • Erhöht sich pro Zahn – die Menge an Material, die von jedem Zahn entfernt wird. Typische Anstiege reichen von 0,02 mm bis 0,12 mm für Stahl, abhängig von Material- und Oberflächenanforderungen.
  • Zahnabstand – der Abstand zwischen den Zähnen. Unebenheiten helfen, harmonische Vibrationen und Rattern zu verhindern.
  • Chip-Gullet – der Raum zwischen den Zähnen, um Späne zu halten. Angemessene Größe der Gullet ist wichtig, um Spanpackungen und Werkzeugbruch zu vermeiden.
  • Leitfaden und Pilotabschnitte – stellen Sie sicher, dass die Räumung gerade in das Werkstück eintritt und die Ausrichtung aufrechterhält.

Modernes Räumungsdesign verwendet häufig computergestütztes Design (CAD) und Simulation, um die Zahngeometrie zu optimieren, Kräfte vorherzusagen und Versuch und Irrtum zu reduzieren.

Räummaschinen

Räummaschinen werden nach ihrer Ausrichtung (horizontal vs. vertikal) und der Methode der Werkzeugbetätigung (hydraulisch, mechanisch oder elektromechanisch) klassifiziert.

Horizontalräummaschinen

Horizontalmaschinen werden üblicherweise für lange Werkstücke oder bei einer Räumlänge von mehr als 1 Meter verwendet, wobei das Werkstück fixiert und horizontal durch das Räumwerk gezogen wird. Horizontalmaschinen können große Teile handhaben und werden häufig für Innennuten und Keilverzahnungen in langen Schächten verwendet.

Vertikalräummaschinen

Vertikale Maschinen beanspruchen weniger Platz und sind leichter zu be- und entladen. Sie können sowohl als Pull-up- als auch als Pull-down-Konfigurationen ausgeführt werden. Vertikale Pull-down-Maschinen sind bei mittelgroßen Innenbohrungen beliebt, vertikale Pull-up-Maschinen werden bei großen Werkstücken eingesetzt. Vertikale Räummaschinen (z. B. Räumpressen) sind auch bei Außenprofilen üblich.

Spezialisierte Maschinen

Für die Großserienfertigung bewegen Transferräummaschinen und Strangräummaschinen Werkstücke durch mehrere Räumstationen, die Hunderte von Teilen pro Stunde verarbeiten können und in der Automobilindustrie für Motorkomponenten üblich sind.

Vorteile und Grenzen des Räumens

Vorteile

  • Hohe Präzision und Wiederholbarkeit: Räumungen halten Toleranzen von ±0,01 mm konstant.
  • Exzellente Oberflächenbeschaffenheit: Ra-Werte von 0,4-1,6 μm sind Standard.
  • High throughput: Ein Durchlauf pro Teil; Zykluszeiten werden in Sekunden gemessen.
  • Komplexe Formen in einem einzigen Vorgang: Eliminiert mehrere Fräs- oder Formgebungsschritte.
  • Anwendbar sowohl für interne als auch für externe Merkmale] auf einer breiten Palette von Materialien (Stahl, Gusseisen, Aluminium, Messing, Kunststoffe).
  • Lange Werkzeuglebensdauer, wenn sie richtig gepflegt und geschmiert wird.

Beschränkungen

  • Höhe anfängliche Werkzeugkosten: Broach-Werkzeuge sind teuer in der Herstellung und können Tausende von Dollar kosten.
  • Lange Werkzeug-Einrichtungszeit: Das Ändern eines Broach-Tools kann 30 Minuten oder länger dauern.
  • Nicht wirtschaftlich für geringe Volumina: Die Kosten pro Teil sind für kleine Chargen hoch, es sei denn, die Form ist einfach.
  • Begrenzte Schnittlänge: Die Broachlänge ist durch den Maschinenhub und die Werkzeugsteifigkeit begrenzt.
  • Schwierigkeit, Sacklöcher oder gestufte innere Merkmale zu schneiden.
  • Chip Evakuierung kann problematisch sein, wenn das Gulet-Design nicht optimiert ist.

Anwendungen in allen Branchen

Automobil

Das Räumen wird in der Automobilherstellung in hohem Maße für Motorblöcke, Pleuel, Getriebeteile und Lenkteile eingesetzt. Keilkanäle für Getriebe, Innenverzahnungen für Antriebswellen und Außensechskantformen an Befestigungselementen werden alle über Räumen hergestellt, beispielsweise werden die Innenverzahnungen an einer Getriebeeingangswelle eines Automatgetriebes typischerweise in einem Durchgang geräumt.

Luft- und Raumfahrt

In der Luft- und Raumfahrt werden beim Räumen Turbinenscheibenschlitze (Tannenbaum- oder Schwalbenschwanzprofile) erzeugt, die mit Turbinenschaufeln kämmen. Die engen Toleranzen und Oberflächengüteanforderungen machen das Räumen zum bevorzugten Verfahren. Auch bei komplexen Profilen sind Befestigungselemente, Fahrwerkskomponenten und Teile des Kraftstoffsystems für die Luft- und Raumfahrt auf das Räumen angewiesen.

Öl und Gas

Rotationsräumen ist üblich, um interne Hexantriebe in Ventilen, Steckverbindern und Bohrlochwerkzeugen herzustellen. Die Notwendigkeit korrosionsbeständiger Materialien wie Edelstahl oder Inconel erfordert eine sorgfältige Auswahl der Werkzeugbeschichtung und starre Maschineneinstellungen.

Medizinprodukte

Implantate, chirurgische Instrumente und zahnärztliche Werkzeuge erfordern oft präzise Steckdosen mit Hex- oder Vierkantantrieben. Das Räumen bietet Wiederholbarkeit und Sauberkeit (keine Grate), die den medizinischen Standards entsprechen.

Energie- und Stromerzeugung

Generatoren, Windkraftanlagen und Wellen mit großem Durchmesser nutzen Räumungen für die Schlüsselkanal- und Keilverzahnung. Große vertikale Räummaschinen können Teile mit einem Gewicht von mehreren Tonnen verarbeiten.

Vergleich mit alternativen Bearbeitungsprozessen

Während das Räumen für die Produktion von großen Stückzahlen effizient ist, können andere Prozesse für bestimmte Szenarien besser geeignet sein:

  • Broaching vs. Shaping/Planning: Shaping ist langsamer und erfordert mehrere Durchgänge; das Räumen vervollständigt die Form in einem Durchgang.
  • Broaching vs. Wire EDM: Wire EDM kann gehärtete Materialien und komplexe interne Profile schneiden, ist aber viel langsamer und teurer pro Teil.
  • Broaching vs. Milling: Fräsen ist flexibel für Teile mit geringem Volumen, kann aber nicht die gleiche Oberflächenbeschaffenheit oder Dimensionskonsistenz für lange interne Merkmale erreichen.
  • Broaching vs. Broaching (rotary vs. linear): Rotary Räumen ist am besten für kleine äußere Formen und kurze Läufe; lineares Räumen ist besser für lange interne Profile und eine großvolumige Produktion.

Qualitätsüberlegungen und Fehlersuche

Surface Finish Probleme

Schlechte Oberflächengüte kann durch stumpfe Zähne, falsche Spanwinkel oder unzureichende Schmierung entstehen, die Verwendung von hochwertigem Schneidöl und die Wartung scharfer Werkzeuge ist unerlässlich.

Werkzeugbruch

Werkzeugbruch wird am häufigsten durch Überlastung (übermäßiger Anstieg pro Zahn), Spanpackung oder Fehlausrichtung verursacht.

Dimensionale Genauigkeit

Eine Dimensionsdrift über aufeinanderfolgende Teile kann durch thermische Ausdehnung des Werkzeugs oder Werkstücks oder durch Verschleiß der Schlichtzähne verursacht werden; es sind regelmäßige Inspektionen und Werkzeugnachschärfungen erforderlich.

Evakuierung von Chips

Das Räumen im Inneren hängt von der effektiven Entfernung der Spanstücke durch die Rohre ab. Wenn die Späne verstopfen, können sie Ritzen oder Werkzeugbruch verursachen. Die Verwendung von Kühlmitteln mit hoher Schmierfähigkeit und eine ordnungsgemäße Filtration helfen.

Industrie 4.0 beeinflusst das Räumen durch Maschinenüberwachung, adaptive Steuerung und vorausschauende Wartung. Servoelektrische Antriebe ersetzen hydraulische Systeme für bessere Energieeffizienz und Positionsgenauigkeit. Beschichtungen wie Diamant-ähnlicher Kohlenstoff (DLC) verlängern die Lebensdauer von Schleifmaterialien. Darüber hinaus wird die additive Fertigung für die Herstellung von Räumwerkzeugen mit komplexen internen Kühlkanälen untersucht, um thermische Schäden zu reduzieren.

Schlussfolgerung

Das Räumen bleibt ein unverzichtbarer Bearbeitungsprozess für die hochpräzise, großvolumige Fertigung von Innen- und Außenformen. Das Verständnis der Unterschiede zwischen linearem und rotatorischem Räumen sowie der Kompromisse zwischen Push- und Zugverfahren ermöglicht es den Herstellern, den effizientesten Prozess für ihre Teile auszuwählen. Mit den kontinuierlichen Fortschritten bei Werkzeugmaterialien, Beschichtungen und Maschinenautomation wird das Räumen ein Eckpfeiler der modernen Fertigung bleiben.

Für weitere Informationen lesen Sie den Wikipedia-Artikel über das Ansprechen, den SME-Leitfaden zur Ansprechen-Technologie und die Modern Machine Shop-Ansprechen-Grundlagen.