Prozesssicher entgraten in der Serie

In Branchen wie Automotive, Aircraft oder auch Hydraulik und Pneumatik werden Fertigungsprozesse laufend optimiert, um die Grossserien möglichst zeit- und kosteneffizient zu produzieren. Prozessschritte werden vereinfacht, Durchlaufzeiten verkürzt und an der Wiederholbarkeit hinsichtlich Qualität gefeilt. 

Insbesondere Grate an Bohrungskanten stellen Prozessverantwortliche dabei vor grosse Herausforderungen. Sie müssen Lösungen finden, die die Probleme verursachenden Grate prozesssicher entfernen und gleichzeitig nicht zu viel Zeit und Geld in Anspruch nehmen.

Wichtige Kriterien für die Wahl des Verfahrens sind die Position des Grates am Bauteil, das verwendete Material und Fertigungstoleranzen des Bauteils. Auch Ansprüche ans Entgratergebnis, die Integrierbarkeit in den bestehenden Produktionsprozess, Maschinenfähigkeiten und die Investitionsbereitschaft beeinflussen die Wahl der Entgratlösung. Nachfolgend sind die gängigsten Verfahren mit ihren Eigenheiten aufgelistet.

• Beim thermischen Entgraten (TEM) wird der abzutragende Werkstoff durch die von einer chemischen Reaktion verursachte grosse Hitze verdampft. Insbesondere bei komplexen Geometrien, kaum zugänglichen Bereichen oder bei vielen Bohrungen wird TEM eingesetzt. Aussen- und innenliegende Kanten werden im Prozess gleichzeitig entgratet. Nahezu alle oxidierenden Werkstoffe sind bearbeitbar. Als Ergebnis stehen scharfkantige oder leicht verrundete Bohrungskanten. Die Grösse der Entgratkammer limitiert die Werkstückgrösse resp. -menge. Geprüft werden muss der Einfluss der Wärme auf das Material und die Geometrie des Bauteils.  
   
• Beim elektrochemischen Entgraten (ECM) erfolgt die Gratentfernung durch die anodische Auflösung von Metall. Eingesetzt wird es bei nahezu allen Metallen, sogar bei gehärteten Werkstücken. Da es sich um ein kontaktfreies Verfahren mit sehr geringem Wärmeeintrag handelt, gibt es keinen Werkzeugverschleiss, keine Bildung von Sekundärgraten und keine mechanische Belastung. Die maximale Gratlänge ist auf ungefähr 0.3 mm limitiert. Das Werkstück muss vor und nach der Behandlung gründlich gereinigt werden.
   
• Beim Hochdruckwasserstrahl-Entgraten (HDW) werden mehrere Kanten gleichzeitig und schwer zugängliche Bohrungen entgratet. Ein Wasserstrahl wird mit einem Druck von bis zu 1‘000 bar gezielt auf die zu bearbeitenden Stellen des Bauteils gelenkt. Zu prüfen ist, ob sich durch die mechanische Beanspruchung Partikel an der Bohrungskante lösen und ob durch die nur bedingte Entfernung der Gratfahnen raue Oberflächen entstehen.
   
• Beim Strahlen mit Granulaten werden Materialien wie beispielsweise Sand mit Geschwindigkeiten von bis zu 80 m/s auf die Bohrungskante gelenkt. Auch angrenzende Bereiche werden durch die Bearbeitung beeinflusst. Die Werkstückreinigung nach dem Entgraten kann eine Herausforderung darstellen.
   
• Beim Bürstentgraten werden Grate durch spezielle Bürstwerkzeuge entfernt. Die Handhabung ist einfach und das Einsatzspektrum ist aufgrund der vielfältigen Werkzeugvarianten vielfältig. Grenzen fürs Bürstentgraten liegen in grösseren Graten, sehr harten Werkstoffen und schwer zugänglichen Stellen.
   
• Unter dem Begriff Mechanisches Entgraten sammeln sich Entgratwerkzeuge, die eine Fertigbearbeitung des Werkstücks direkt auf einem Bearbeitungszentrum ermöglichen. Auch die rückseitige Bearbeitung von Bohrungen und definierte Kanten sind möglich. Die Verfahren zeichnen sich durch Wiederholbarkeit und hohe Prozesssicherheit aus. Grenzen findet die Methode bei schwer zugänglichen Stellen am Werkstück.

Die Technologien im mechanischen Entgraten sind vielfältig, weshalb wir die Eigenheiten etwas genauer betrachten wollen.

Beim Zirkularentgraten wird mit einem Werkzeug ein vordefinierter Arbeitsweg abgefahren. Je nach gegebenen Fertigungstoleranzen oder Toleranzen aufgrund der Aufspannung kann an gewissen Stellen gar keine, eine zu kleine oder auch zu grosse Fase entstehen. 

Bei Werkzeugen mit beweglicher Schneide beginnt das Messer erst bei Kontakt mit der Bohrungskante mit dem Entgraten. So können beispielsweise Gussteile mit ihren typischen Toleranzschwankungen zuverlässig und mit gleichbleibendem Entgratergebnis bearbeitet werden.

Bei allen Varianten des mechanischen Entgratens liegt der grosse Vorteil in der Integrierbarkeit in das bestehende Bearbeitungszentrum. Das Werkstück kommt nach einer nur wenig erhöhten Taktzeit fertig produziert von der Maschine. Nachgelagerte intern oder auch extern durchgeführte Bearbeitungsschritte fallen weg. 

Durch das Vermeiden von Reinigung, Logistik oder externen Bearbeitungskosten reduzieren sich die gesamten Prozesskosten und Durchlaufzeiten. Aufgrund der gleichbleibenden Fertigungstechnologie und des einfachen Handlings der Werkzeuge fallen keine Schulungen fürs Personal an und das vorhandene Wissen rund um die Zerspanung kann aktiv genutzt werden.

Hat sich ein Produktionsverantwortlicher für ein Entgratverfahren entschieden, gilt es, die passende Ausführung und den geeigneten Partner zu finden. Ein Praxisbeispiel: Ein Anwender aus der E-Mobilität muss bei einer Rotorwelle innenliegende und schwer zugängliche Kühlbohrungen entgraten. Bisher wurde die Entgratung manuell von Hand durchgeführt. 

Aufgrund einer Beanstandung eines Kunden musste ein stabileres und automatisiertes Entgratverfahren für die jährlich rund 1 Million Bohrungen gefunden werden. Bei der zu lösenden Entgratsituation werden Bauteile bearbeitet, die aufgrund der Herstellung aus gezogenen Rohren Schwankungen in der Wandstärke und somit im Durchmesser der innenliegenden Hauptbohrung aufweisen. Zirkularentgraten kommt aufgrund dieser Toleranz-Schwankungen nicht in Frage.

Auch weitere Anwendungsmöglichkeiten hat der Kunde unterdessen bei HEULE angefragt, sogar eine kundenspezifische Werkzeuglösung ist in Planung. Denn findet sich in der Standardpalette kein passendes Werkzeug, bietet HEULE individuell auf den Kunden zugeschnittene Werkzeuge an. 

HEULE empfiehlt allen Anwendern, den Entgratspezialisten möglichst früh in den Prozess zu involvieren. Denn gemeinsam kann die Geometrie des Bauteils möglichst entgratfreundlich gestaltet werden und auch die Voroperationen können in ihrer Gratbildung optimiert werden, so dass die Serienfertigung schlussendlich möglichst zeitoptimiert und wirtschaftlich läuft.