Entgraten – Verfahrenstechniken und Methoden mit hoher Effizienz
Entgraten ist ein notwendiges Übel. Niemand möchte es und dennoch kämpfen Mitarbeiter in den meisten Betrieben der Metall- und Kunststoffbearbeitung täglich mit der Bewältigung der entsprechende Aufgaben. Dabei wird dem Entgraten i.d.R. viel zu wenig Beachtung geschenkt, da daraus keine eigentliche Wertschöpfung resultiert.
Wir von gravostar technologies befassen uns seit über 25 Jahren täglich mit dieser Thematik. Im Jahr 2000 starteten wir mit der Entwicklung von Werkzeugen für das Fräsentgraten von undefinierten Kanten integriert in den Zerspanungsprozess. Dieser Bereich stellt heute einer unseren absoluten Kernkompetenzen dar.
In der nachfolgenden Beschreibung wird aufgezeigt, wie die Gratbildung entsteht, warum es wichtig ist diese zu entfernen, sowie eine Übersicht über die verschiedenen Entgratverfahren.
Beim Giessen von Metallen (Eisen oder Nichteisen) im Sandguss-, Kokillenguss- oder Druckguss-Verfahren entstehende Gräte zeigen sich insbesondere durch Materialreste, welche bei der Formteilung austreten. Auch beim Schmieden oder Warmpressen gibt es oftmals dieselbe bzw. ähnliche Folgeerscheinungen. Dieselbe Problematik zeigt sich teilweise auch bei der Kunststoffteileherstellung, bei Spritzguss- und Pressenverfahren.
Insbesondere bei der zerspanenden Teilebearbeitung (Drehen, Fräsen, Bohren, Sägen etc.) entsteht Gratbildung. Auch beim Zuschneiden oder Trennen von Teilen mittels Wasserstrahl, Laser, Plasma- oder Brennschneiden entstehen Gräte. Insbesondere beim Plasma- oder Brennschneiden von Metallen können an den Kanten geschmolzene Materialreste hängen bleiben.
Nicht entfernte Gräte bieten oftmals ein massives Verletzungsrisiko bei der Teilehandhabung (Schnittverletzungen etc.). Zudem können Werkstücke mit Gräten nicht optimal weiterverarbeitet werden oder sind erst gar nicht einsetzbar.
Nicht zuletzt kann ein später abfallender Grat die Funktion von Maschinen oder Anlagen beeinträchtigen oder sogar komplett zum Stillstand führen. Der daraus möglicherweise resultierende Supergau: Rückruf von ganzen Maschinen- oder Fahrzeugserien.
Die untenstehende Tabelle vermittelt einen Überblick der gängigsten Methoden der Werkstückentgratung. Bei den obersten beiden Methoden besteht gegenüber allen anderen Verfahren ein wesentlicher Unterschied: die Entgratung erfolgt vollautomatisch ohne manuellen Eingriff, d.h. jedes einzelne Werkstück kommt fertig entgratet aus der Zerspanungseinheit und kann direkt weiterverarbeitet werden. Dadurch werden einerseits Personalkosten gespart und gleichzeitig erfolgt eine Erhöhung der Prozess-Sicherheit.
Dieser Ablauf bietet sich insbesondere bei der Teilefertigung in CNC Maschinen an. Dabei ist der Entgratvorgang ein integrierter Bestandteil des Bearbeitungsprozesses. Wie alle anderen Zerspanungswerkzeuge sind die dafür erforderlichen Entgratwerkzeuge im Werkzeugmagazin gelagert und werden über den Werkzeugwechsler automatisch eingewechselt.
Vorteile:
Nachteil:
Entgraten von definierten Werkstück-Kanten
Das Entgraten von komplett bearbeiteten Teilen (mit klar definierten Kanten) ist heute in den meisten Fällen ein fest etablierter Prozess und wird normalerweise nicht mehr in Frage gestellt. Das heisst, es entspricht dem Stand der Technik, dass die Teile selbstverständlich auf der CNC Maschine mit einem Fasenfräser automatisch entgratet werden.
Entgraten von undefinierten Werkstück-Kanten
Hier zeigt sich ein wesentlich anderes Bild: in diesem Fall werden die entsprechenden Teile noch sehr oft in einem separaten Arbeitsgang entgratet – nicht selten sogar manuell.
Wie und wann entstehen eigentlich undefinierte Kanten?
Für das Entgraten von Bohrungsaustritten sind bereits seit geraumer Zeit verschiedene Werkzeuge erhältlich, weshalb an dieser Stelle nicht besonders auf diese Thematik eingegangen wird.
Abgesehen von dieser Ausnahme war es bis Anfang der Nullerjahre nicht möglich, Werkstücke mit undefinierten Kanten auf der CNC Maschine zu entgraten. Zumindest nicht, wenn die Anforderung erfüllt werden sollte, dass alle Werkstück-Kanten trotz Mass- bzw. Positionsdifferenzen gleichmässig entgratet sein sollten. Der Grund: es waren auf dem Markt schlichtweg keine entsprechenden Werkzeuge erhältlich.
Im Jahr 2007 wurde dieser Mangel behoben: als Weltneuheit wurde mit dem engraflexx EC das erste über die Maschinenspindel angetriebene Entgratwerkzeug mit auslenkbarer Spindel vorgestellt. Dies ermöglicht es, dass Werkstücke-Kanten gleichmässig entgratet werden, auch wenn die programmierte Kontur von der effektiven Werkstück-Kontur abweicht.
Verschiedene Werkzeugausführungen
Heute sind die entsprechende Entgratwerkzeuge in zwei unterschiedlichen Auslenkverfahren erhältlich:
Abhängig von der jeweiligen Anwendung bzw. Anforderung an das Entgratergebnis ist die eine oder andere Version zu bevorzugen. Bei verschiedenen Anwendungen bieten beide Versionen annähernd dieselben Ergebnisse.
Funktionsprinzip
Die bewegliche Werkzeugspindel wird im Leerlauf über ein Federpaket jeweils in der definierten Ausgangsposition gehalten:
Als eigentliche Fräswerkzeuge werden in der Regel Vollhartmetall-Frässtifte eingesetzt, wie diese auch beim Entgraten in handgeführten Luftschleifern verwendet werden. Aufgrund der gefedert vorgespannten, flexiblen Spindellagerung wird diese beim Abfahren von masslich abweichenden Werkstückbereichen vom Frässtift einfach weggedrückt. Da der Frässtift dabei immer mit derselben Kraft gegen die Werkstück-Kante drückt, wird diese automatisch überall gleichmässig entgratet.
Der Ablauf lässt sich vergleichen mit dem Vorgehen, wenn der Mitarbeiter das Werkstück mit einem Luftschleifer manuell entgratet. Nur erfolgt dieser Schritt automatisiert in der CNC Maschine.
Einfaches Programmieren
Das Programmieren der Entgratkontur ist recht einfach: als erstes wird die theoretische Werkstück-Kontur programmiert. Mittels Radiuskompensation wird an der Maschinensteuerung die Eingabe des Fräserdurchmessers so stark verkleinert, bis die Spindel vom Frässtift an jeder Stelle der abgefahrenen Werkstück-Kontur etwas weggedrückt wird (je nach Werkzeugausführung in seitlich oder in axialer Richtung, siehe oben).
Das ist eine Alternative, welche auch auf CNC Maschinen öfter eingesetzt wird. Im Vergleich zum Fräsentgraten bestehen folgende Unterschiede.
Beim Bürstentgraten auf CNC Maschinen ist der Einsatz von Stahlbürsten empfehlenswert, welche sinnvollerweise in einer einstellbar gefederten Aufnahme eingespannt wird.
Vorteil der Stahlbürste:
Vorteil der einstellbar gefederten Aufnahme:
Bei diesen Verfahren geht es um eine Oberflächenveredelung, welche an das klassische Verfahren angelehnt ist. Meistens erfolgen diese Vorgänge in speziell dafür konzipierten Maschinen oder Anlagen.
Mit der entsprechenden Werkzeugausrüstung (gefedert gelagerte Spindeln) können solche Arbeiten jedoch auch mit CNC Maschinen ausgeführt werden. Denkbar wären dabei insbesondere Finishing von Formen und Werkzeugen, sowie Polieren von Turbinenschaufeln etc.
Werden dabei abrasive Schleifmittel verwendet, gilt es wie beim Entgraten dabei die Verschmutzung von Maschine und Kühlschmierstoff zu berücksichtigen.
Dazu folgende Bemerkung: es ist absolut verblüffend, welche Oberflächenverbesserung bereits mit dem Einsatz von einfachen Stahlbürsten erreicht werden kann, welche in einer gefederten Werkzeugaufnahme eingespannt sind.
Bei diesem Ablauf erfolgt das Entgraten in einem nachgeschalteten, separaten Arbeitsgang, unabhängig von der Teilefertigung bzw. -Bearbeitung. Dies erfolgt in speziell konzipierten Entgratanlagen bzw. -Maschinen, welche oftmals in separat dafür eingerichteten Entgratbereichen untergebracht sind.
Vorteile:
Nachteile:
Beim Gleitschleifen werden die zu bearbeitenden Werkstücke zusammen mit Schleifkörpern (sogenannten Chips) und meist einem Zusatzmittel in wässriger Lösung als Schüttgut in einen Behälter gegeben. Durch die oszillierende oder rotierende Bewegung des Behälters werden die Werkstück-Kanten durch die Schleifkörper abgerundet bzw. entgratet.
Somit erfolgt beim Gleitschleifen kein definiertes Entgraten, sondern alle mit den Schleifkörpern in Kontakt stehenden Werkstückoberflächen werden minimal abgeschliffen und die Kanten gerundet. Durch die Wahl von Schleifkörper und Zusatzmittel, sowie die Laufzeit der Anlage kann die Abtragsleistung und somit die Stärke der Entgratung beinahe beliebig variiert werden.
Dieses Verfahren – auch Explosionsentgraten genannt – erfolgt, indem die Werkstücke in eine abgeschlossenen Brennkammer gepackt werden. Danach wird ein Sauerstoff-Gasgemisch in die Brennkammer geleitet uns gezündet. Durch die explosionsartige Verbrennung entsteht eine enorm hohe Hitze (bis 3‘000 °C), welche jedoch nur äusserst kurz anhält. Dadurch schmelzen die feinen vorstehenden Gräte ab, während die kompletten Werkstücke lediglich moderat auf ca. 60-160 °C erhitzt werden.
Dieses Verfahren wird insbesondere bei Werkstücken mit innenliegenden Gräten angewandt, wo ein mechanisches Entgraten aufgrund der nicht vorhanden Zugänglichkeit ausgeschlossen ist.
Beim Wasserstrahl- oder Hochdruckentgraten wird ein mehrere hundert bar starker Wasserstrahl auf die zu bearbeitende Stelle gerichtet, wodurch die vorstehenden Gräte abgetrennt werden.
Dieses Verfahren eignet sich für besonders bei Werkstücken mit sehr schwer zugänglichen Stellen.
Bei diesem elektrolytischen Entgratverfahren wird durch anodische Materialauflösung ein gezielter Materialabtrag ermöglicht.
Dieses Entgratverfahren ist besonders dort interessant wo Bohrungsübergänge gezielt verrundet werden müssen, zum Beispiel an Verteileinheiten für Hydraulikanlagen etc.
Hierbei erfolgt der eigentliche Entgratvorgang i.d.R. mit einem Entgratwerkzeug durch Fräsen, Bürsten oder Schleifen. Eine Roboterentgratanlage kann grundsätzlich gemäss folgenden zwei Ausführungen aufgebaut werden:
Vorteile:
Nachteile:
Abhängig von der jeweiligen Entgrataufgabe werden verschiedene Entgrateinheiten oder Werkzeuge eingesetzt. Diese können wie oben beschrieben entweder am Roboter befestigt oder an der Anlage bzw. am Boden fest montiert werden.
Nachfolgend eine Auswahl an typischen Entgrateinheiten bzw. -Werkzeuge für Roboteranlagen:
Sollen an grossen Werkstücken verschiedene Entgrataufgaben mit unterschiedlichen Spindeln oder Einheiten eingesetzt werden besteht die Möglichkeit, den Roboter mit einer Werkzeugwechseleinheit auszurüsten. Diese ermöglicht, dass sich der Roboter selbständig die jeweils benötigte Einheit aus dem Werkzeugmagazin holt und diese nach Gebrauch wieder ablegt.
Auslenkbare Werkzeugspindel
Eine Besonderheit besteht darin, dass oftmals kleinere oder grössere Abweichungen bestehen zwischen dem Entgratwerkzeug und den zu entgratenden Werkstück-Kanten. Dafür kann es verschiedene Ursachen geben:
Aus diesem Grund werden bei Entgrataufgaben mittels Roboter meistens Entgratwerkzeuge mit auslenkbaren Spindeln eingesetzt.
Oftmals sind dies komplette Einheiten mit integrierter Antriebsspindel, welche in einem Gehäuse flexibel gelagert sind. Lage Zeit wurden solche Spindeleinheiten ausschliesslich mit integrierter Druckluftspindel angeboten. Seit einigen Jahren sind auslenkbare Spindeleinheiten auch mit Elektrospindel (i.d.R. Hochfrequenzspindel) erhältlich. Insbesondere hinsichtlich der laufenden Kosten (Energieverbrauch und Wartungsaufwand) weisen die Elektrospindeln im Vergleich zu druckluftbetriebenen Spindeln eine massiv bessere Bilanz auf (siehe nachfolgende Tabelle).
Gegenüberstellung: Elektrospindel – Druckluftspindel
Frässtifte und Schleifwerkzeuge
Als eigentliche Entgratwerkzeuge werden oftmals Vollhartmetall-Frässtifte oder Schleifwerkzeuge in verschiedenen Grössen und Formen eingesetzt. Insbesondere beim Einsatz in flexiblen Entgratspindeln hängt das Entgratergebnis wesentlich von der Auswahl des geeigneten Entgratwerkzeugs ab.
Aus diesem Grund ist es wichtig, dass mit Lieferanten zusammengearbeitet wird, welche nebst den Entgratspindeln auch die geeigneten Werkzeuge liefern. Selbstverständlich beinhaltet dies auch die dazugehörende technische Unterstützung. Mit anderen Worten: der optimale Lieferant verkauft nicht nur Werkzeuge, sondern er bietet seinen Kunden die komplette Problemlösung.
Entgratbürsten
Auf dem Markt ist eine beinahe unendliche Anzahl von Entgratbürsten erhältlich. Dazu gibt es noch etliche Spezialisten, welche kundenspezifisch individuell angefertigte Sonderbürsten anbieten. Dabei haben alle ihre Berechtigung, denn die Anforderungen an Entgratbürsten sind sehr vielfältig.
Mit einer relativ einfachen Massnahme kann die Komplexität von Entgratbürsten jedoch wesentlich vereinfacht werden: indem die Bürste nicht starr, sondern in einer gefederten Werkzeugaufnahme eingespannt wird. Verfügt diese noch über eine einstellbare Federvorspannkraft, können damit mit einer Standardbürste oftmals ungeahnte Entgratergebnisse erzielt werden. Der Grund: die Federwirkung muss nicht mehr von der Bürste übernommen werden, sondern wird an der Werkzeugaufnahme individuell auf das gewünschte Mass eingestellt. Gleichzeitig ist dadurch auch die Verschleisskompensation mit enthalten und der Vorspanndruck ist immer derselbe, unabhängig vom Verschleiss der Entgratbürste. Dadurch wird dabei die Prozess-Sicherheit der gesamten Anlage massiv erhöht.
Bei diesen Verfahren geht es um eine Oberflächenveredelung. Sehr oft erfolgen diese Vorgänge in speziell dafür konzipierten Maschinen oder Anlagen.
Mit der entsprechenden Werkzeugausrüstung (gefedert gelagerte Spindeln) können solche Arbeiten jedoch auch mittels Robotern ausgeführt werden. Denkbar wären dabei insbesondere Finishing von Formen und Werkzeugen, sowie Polieren von Turbinenschaufeln etc.
Dieses Verfahren ist auch heute noch sehr weit verbreitet. Abhängig von Material, Werkstückform, Art und Stärke der Gräte etc. werden dabei die unterschiedlichsten Verfahren der mechanischen Entgratung eingesetzt.
Die Anforderungen an eine qualitativ hochwertige Handentgratung werden oftmals unterschätzt. Insbesondere, da es sich dabei um eine eher unattraktive, Lärm uns Schmutz verursachende Arbeit handelt, welche jedoch hohe Konzentration und viel handwerkliches Geschick erfordert.
In Verbindung mit der zerspanenden Teilebearbeitung werden kleinere Handentgratarbeiten oftmals vom Maschinenbediener direkt neben der Maschine erledigt. Erfordert es mehr Zeit oder sind komplexere Konturen zu bearbeiten, erfolgt dies meistens in separaten Entgratabteilungen.
Vorteile:
Nachteile:
Vorab sollte folgende Frage geklärt werden: was ist eigentlich die Besonderheit dieser Entgratwerkzeuge und worin liegen deren Vorteile? Die Einzigartigkeit liegt in der beweglichen Entgratspindel, welche abhängig von der jeweiligen Werkzeugausführung in radialer oder axialer Richtung flexibel gelagert ist. Der daraus resultierende Vorteil: Mass- und Positionsdifferenzen der zu entgratenden Kanten werden automatisch ausgeglichen, wodurch die komplette Teilekontur immer gleichmässig entgratet wird. Insbesondere beim Entgraten von nachbearbeiteten Gussteilen etc. ist dies von unschätzbarem Wert.
Kommt es in Ihrem Betrieb vor, dass Guss-, Press- oder Brennschnitt-Teile nach der zerspanenden Bearbeitung manuell entgratet werden?
Durch den Einsatz der engraflexx Entgratwerkzeuge können auch die undefinierten Kanten dieser Teile automatisch direkt auf der CNC-Maschine entgratet werden. Das Vorgehen ist dabei grundsätzlich dasselbe, wie dies beim konventionellen Entgraten von definierten Kanten mittels Entgratfräser erfolgt. Das bedeutet: die Teile kommen bereits fertig entgratet aus der Maschine.
Auch dem zuverlässigsten Mitarbeiter verläuft ab und zu ein Fehler. Im Zusammenhang mit dem Entgraten bedeutet dies, dass Teile nicht sauber oder womöglich gar nicht entgratet werden. Allenfalls müssen vereinzelte Werkstücke aufgrund von unsorgfältigem Entgraten sogar weggeworfen oder nochmals nachbearbeitet werden (z.B. wenn Dichtflächen verletzt wurden). All diese Fehlerquellen sind bei automatisiert ablaufendem Entgratvorgang eliminiert.
Das manuelle Entgraten erfolgt in den meisten Fällen mittels Handschleifmaschinen etc. neben der Zerspanungsmaschine. Dadurch sind die Mitarbeiter unnötigen Zusatzbelastungen durch Lärm und Schmutz ausgesetzt. Zudem besteht dabei ein permanentes Verletzungsrisiko durch Abrutschen des Entgratwerkzeugs oder umherfliegende Späne.
Durch die zusätzlichen Arbeiten wie Bereitstellung der Teile, Be- und Entladen der Maschine, Teilekontrolle etc. stehen die Produktionsmitarbeiter vermehrt unter Druck. Dieser steigt durch eine allfällige Mehrmaschinenbedienung noch zusätzlich, wodurch es durchaus vorkommt, dass eine Maschine aufgrund fehlender Mitarbeiterkapazität nicht weiterarbeiten kann, weil die zu bearbeitenden Teile noch nicht aufgespannt worden sind.
Last but not least ist es heute nicht mehr zeitgemäss, dass wiederkehrende Arbeiten manuell ausgeführt werden, welche automatisiert erfolgen können. Sei dies aus Sicht der Wettbewerbsfähigkeit oder der optimalen Nutzung des Mitarbeiterpotentials und dessen Motivation.
Mit über 25 Jahren Erfahrung haben wir uns einen Expertenstatus auf dem Entgratsektor erarbeitet. Unsere Kernkompetenz liegt dabei auf dem Gebiet der mechanischen Entgratverfahren welche direkt in den Zerspanungsprozess integriert auf der CNC Maschine oder unmittelbar danach mittels Roboter erfolgen.
Durch Weitergabe dieser Erfahrung möchten wir interessierten Anwendern dabei helfen, ihren Entgratprozess nachhaltig zu optimieren. Die Folgen: Einsparung von Fertigungskosten und Steigerung der Prozess-Sicherheit der gesamten Produktion.
PS: Bei unseren Beratungsgesprächen ist unser Fokus immer auf die Aufgabenstellung des Kunden gerichtet, nicht auf unsere Werkzeuglösungen. Im konkreten Fall bedeutet dies: sollte eine Aufgabenstellung mit einem anderen Verfahren optimaler gelöst werden, werden wir Ihnen als Interessent dies auch so kommunizieren – selbst wenn wir dadurch auf einen Verkauf unserer Werkzeuge verzichten müssen.
Dieses Vorgehen entspricht unserer Firmenphilosophie, welche auf Vertrauen basiertes, nachhaltiges Arbeiten vor kurzfristigem Verdienst stellt. Zudem sind wir aufgrund unseres Expertenstatus dazu verpflichtet.
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