A multi-stage fine boring tool for the highest precision
Shorter machining times and better surfaces
Tornos AG is a renowned Swiss manufacturer of machine tools that stand out for their quality and durability. In some bar turning shops today, Tornos machines are still in use that are actually older than many of the employees who operate them. This is proof of the company’s high standards of precision and quality in the manufacture of the essential key components of its machines. This is why these parts are always machined in-house. A special multi-stage fine boring tool developed by MAPAL has been proving its worth.
„Bei bestimmten Schlüsselkomponenten unserer Produkte sind die Präzisionsanforderungen so hoch, dass wir ihre Bearbeitung grundsätzlich nur selbst durchführen“, sagt Jean-Luc Maurer, Prozessverantwortlicher bei der Tornos SA in Moutier (Schweiz). Das Traditionsunternehmen ist Hersteller mehrerer Technologien für die hochproduktive Fertigung von Bauteilen in großen Serien. Die Anlagen müssen höchste Erwartungen bezüglich Produktivität, Produktqualität und Langlebigkeit erfüllen. Entsprechend sorgfältig erfolgen auch die Bearbeitung und Kontrolle der im Stammhaus gefertigten Schlüsselkomponenten.
Das gilt auch für eine Bauteilfamilie aus GGG 40, in die jeweils eine Reihe zylindrischer Bohrungen mit äußerst strengen Vorgaben bezüglich Maßgenauigkeit, Konzentrizität und Oberflächenqualität eingebracht werden müssen. Die Arbeitsgänge erfolgen auf einem hochpräzisen Bearbeitungszentrum unter Beachtung außergewöhnlich genauer Vorschriften auch bezüglich der thermischen Verhältnisse von Bauteil, Maschine und Messraum. Die entsprechend langen Belegungszeiten der Maschine von zehn Stunden oder mehr verursachten hohe Kosten. Daher suchten die Verantwortlichen nach Möglichkeiten, diese durch Einsatz eines Spezialwerkzeugs zu verringern.
„Mit Tornos arbeiten wir schon seit fast 20 Jahren bei verschiedensten Projekten eng zusammen“, erinnert sich Andreas Mollet, MAPAL Gebietsverkaufsleiter in der Schweiz. Das betrifft einerseits die Entwicklung von Bearbeitungslösungen für Kunden von Tornos, die zu ihren Werkzeugmaschinen auch komplette Technologielösungen einschließlich Werkzeugen und dem Bearbeitungsprozess erwerben möchten. Auf der anderen Seite kommen die Tornos-Mitarbeiter immer dann auf MAPAL zu, wenn sich bestimmte anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben mit den üblichen Standardwerkzeugen nicht oder nur mit Nachteilen bezüglich Produktivität oder Qualität lösen lassen. Im Laufe dieser langjährigen Entwicklungspartnerschaft ist eine solide Vertrauensbasis gewachsen. Deshalb landete auch bei der in diesem Bericht beschriebenen Aufgabenstellung die Anfrage nach einem Lösungsvorschlag auf dem Schreibtisch von Andreas Mollet.
Besonderheiten der Aufgabenstellung
„Das zu bearbeitende Teil weist sechs Bohrungen auf, die jeweils drei ineinander übergehende zylindrische Bereiche mit Durchmessern von 100, 99 und 98 mm aufweisen“, erläutert Jean-Luc Maurer. Die Konzentrizitätsabweichung aller drei Bohrungen darf ungeachtet der beachtlichen Gesamtlänge von knapp 345 mm nicht mehr als 10 µm betragen. Dazu findet sich im ersten Bereich, in dem ein H5-Durchmesser gewährleistet werden muss, eine Nut. Das bedingt einen unterbrochenen Schnitt mit entsprechenden Auswirkungen auf die Auslenkung und die Schwingungsanregung des eingesetztes Feinbohrwerkzeugs.
In the subsequent bore with a diameter of 99 mm, a machining tolerance of 0.05 mm is required. Finally, the requirements become almost extreme in the last area, where a tolerance of -0 to +15 µm must be maintained with a target diameter of 98 mm and several interrupted cuts as a result of annular grooves. Another requirement is a surface roughness Ra of less than 1.2 µm.
Time losses and quality risks caused by individual tools
“Before, the final machining operations were carried out with three different turning tools,” Andreas Mollet shares his knowledge. This resulted in time losses not only due to the tool changes, but also due to the fact that the diameter and surface roughness in the bore had to be checked after each machining step. On top of this, minimal deviations in the positioning in the machine occurred during the changeover. Given the length of the tools and the extraordinarily tight tolerance specifications, this caused additional scrap risks. When considering the high value of the part, which has already been largely machined, this represents a high cost risk for Tornos AG.
“This is why Tornos wanted us to develop a special tool with which all tasks could be completed in just one clamping setup,” reports Andreas Mollet. Initially, there were some concerns about the required length and the corresponding weight. It was also necessary to ensure that there were no positioning errors due to possible axial deviations of the roughing tools used previously. The developers at MAPAL therefore decided on a design as a fine boring multi-stage tool. It has a BT 50 FC interface for use on the machining centre. A total of five guide pads made of polycrystalline diamond (PCD) in each of the three stages ensure precise guidance even with interrupted cutting. The tool is designed according to the proven MAPAL principle and has a coated carbide indexable insert with two cutting edges for each of the three diameter ranges. It can be finely adjusted both radially and from the back taper. Any deviations from the previous machining will be corrected as long as they are smaller than the remaining allowance. This is made possible by a small protrusion of the cutting edges to the guide pads. This is how the MAPAL tool follows its own path over the entire length of the workpiece.
“The tool developed by MAPAL has now been in use for quite some time. We’re very satisfied with the results,” Jean-Luc Maurer sums up. Compared to the previous way of working, the MAPAL tool reduces the machining time for fine boring of the six passes by 20 to 25 percent, so that machining can be completed on the boring mill over a single shift. A surface roughness Ra of 1.0 to 1.2 µm is achieved.
The extra care that Tornos takes to ensure top quality is also a reason why working on the machine takes a long time: the diameter and surface roughness of each bore are checked manually on the machine. Finally, a skilled worker checks the entire part on a high-precision coordinate measuring machine with an accuracy of 3 µm.
From Tornos’ perspective, the use of indexable inserts is also positive, as is MAPAL’s supply of a special setting fixture that enables the cutting edges to be adjusted in several dimensions with a resolution of 1 µm. Thanks to the indexable inserts, a total of six to eight workpieces can now be machined with each set of inserts; and cutting material costs are significantly reduced compared to the previous way of working.
