Entgratverfahren und Entgrattechnik

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 und Werkstückoberfläche gefeilt. 

Insbesondere Grate an Bohrungskanten und Schnittkanten stellen Prozessverantwortliche dabei vor grosse Herausforderungen. Bei fast jeder Bohrbearbeitung kommt es zur Gratbildung. Dieser Materialüberhang muss entfernt werden, um die Funktionalität der Bauteile zu gewährleisten und die Verletzungsgefahr für den Endanwender oder Maschinenbediener zu minimieren. Verantwortliche müssen Lösungen finden, die die Probleme verursachenden Grate prozesssicher entfernen, Splitter vermeiden 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 (z.B. Stahl, Edelstahl, Aluminium) und Fertigungstoleranzen des Bauteils. Auch Ansprüche ans Entgratergebnis, die Integrierbarkeit in den bestehenden Produktionsprozess (bspw. direkt auf der CNC Maschine), Maschinenfähigkeiten und die Investitionsbereitschaft beeinflussen die Wahl der Entgratlösung. Die Sicherstellung der Gratfreiheit ist in vielen Fällen entscheidend für die Weiterverarbeitung. Nachfolgend sind die gängigsten Verfahren und Techniken 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.  

Der Motorenblock als Beispiel eines Werkstücks, welches meist durch thermisches Entgraten bearbeitet wird. 

• 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.
   
• Eine weitere Methode ist das Gleitschleifen (oft auch Trowalisieren genannt). Hierbei werden die Werkstücke zusammen mit Schleifkörpern in einen Behälter gegeben. Durch Vibration oder Rotation erfolgt der Abtrag an Kanten und Flächen. Es eignet sich gut für Schüttgut, ist jedoch bei präzisen Bohrungen oft nicht zielgerichtet genug.

• 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 CNC 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.

Weitere Möglichkeiten sind das manuelle Entgraten (Handentgraten) oder das Entgraten mit Stufenbohrern. Auf diese beiden Verfahren gehen wir in diesem Bericht nicht im Detail ein, da die Handentgratung oft unwirtschaftlich ist und die Qualität vom Mitarbeiter abhängt.

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. Nachteile starrer Systeme werden hier eliminiert

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. Vor allem die Prozesssicherheit steigt im Vergleich zur Handarbeit enorm.

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 Entfernung der Grate und 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.