23.06.2020

Emerging from the process – development partnership between machine manufacturer and tool manufacturer

The larger the series of parts to be produced, the more important cycle times and tool costs are. With large quantities, such as those usual for the car industry, the properties of both the machine tool and the tool itself need to be optimally suited to each other – and to the chosen manufacturing process.

Carina Becker (left) and Jörg Rodehutskors (centre) in conversation with Alexander Wiesner in front of an FM3+X hd manufacturing module.
  • Carina Becker (left) and Jörg Rodehutskors (centre) in conversation with Alexander Wiesner in front of an FM3+X hd manufacturing module.
  • A peek inside the interior of a manufacturing module. Two spindle row revolvers are shown.
  • On the right side of the image you can see two step drills clamped in the manufacturing module.
  • Four disc milling cutters are clamped in the manufacturing module.
  • Four deep drills can be seen in the manufacturing module during the machining of fuel distributors.
“We have a unique approach when we receive customer inquiries,” says Meinolf Wolke, Sales Team Leader at ELHA-MASCHINENBAU Liemke KG (ELHA) in Hövelhof. The medium-sized, owner-managed special machine construction company places the workpiece and its machining at the centre of development and devises an optimal solution perfectly designed for the process sequence. “In doing so, we take all the technical and economic requirements into account,” clarifies Wolke further. Only then do those responsible decide whether an existing machining concept can be used for the process or whether an individual, application-specific construction is required. Meinolf Wolke explains: “As well as providing the machine, we offer services that stretch from process development and the construction of fixtures all the way through to complete, ready-to-operate solutions with automation and production support.”

Special tools for low total costs

“The machining tasks are often as unique as the parts themselves – including in terms of the workpiece materials,” adds Alexander Wiesner, Technical Advisor at MAPAL. “Of course, a lot of machining work on complex parts can be achieved with standard tools. But that often comes with significant drawbacks in terms of cycle times, quality, and cost-effectiveness, particularly when large quantities are being produced.” In these cases, special tools that are precisely calibrated by MAPAL for the machining task in question are preferred.
“During the tool design phase, it’s essential to determine the necessary parameters for the machining process,” says Wiesner, “particularly in the case of challenging geometries.” In order to design the process in the best possible way, MAPAL often makes prototype tools. These are then used to carry out extensive tests with the part to be machined. “That, in turn, helps the equipment manufacturers design the machine with the values identified during testing,” continues Wiesner. He says that MAPAL has had a long-standing partnership with ELHA in this area. The following three examples demonstrate the resulting benefits to customers:

Solid drills for the machining of suspension arms

On the right side of the image you can see two step drills clamped in the manufacturing module.
Arrangement of step drill on the right-hand side of the working area of a manufacturing module. A total of four step drills are arranged there. Photo provided by ELHA. 
“We were dissatisfied with the solution that we had been using for drilling from solid in aluminium when machining a suspension arm, which included creating a fitting,” remembers ELHA Project Leader Friedhelm Dresmann. At the time, the company was using tools with brazed PCD cutting edges. In order to keep the machining time as low as possible, these drills were being used with very high feed rates. The disadvantages of this solution were the high drive power required and the insufficient durability of the PCD cutting edges on the solid drill step. In search of a solution, those responsible at ELHA turned to MAPAL. Together, the employees of the machine manufacturer and the tool manufacturer worked to find a solution. What they came up with was a hybrid tool. The tip of the tool is equipped with three-bladed, CVD-diamond coated, ISO-indexable inserts for drilling from solid. The fitting is created using brazed PCD cutting edges on the second step of the tool.
MAPAL’s research engineers tested the new tool in their own R&D centre. The results were impressive. In addition to the lower costs of the indexable inserts overall, the positive blade geometry meant that less drive power was required. What’s more, the previous solution had often produced long metal chips – with the new tool, this was no longer an issue. The indexable inserts at the tip of the drill, which are under significant stress, can be quickly and easily flipped or replaced. As a result, the maintenance costs were also noticeably reduced. Altogether, the suspension arm manufacturers’ production costs for each drilled bore were reduced by over 50 percent.

Disc milling cutters for the machining of suspension arms

Four disc milling cutters are clamped in the manufacturing module.
Quadruple application of disc milling cutters on control arms. The solid cutting surfaces provide an indication of the high drive power required. Photo provided by ELHA. 
“We also worked with MAPAL to find an efficient solution for machining forged suspension arms,” explains ELHA Project Leader Marcel Thieschneider. “Our goal was to develop process-reliable tools while maintaining the required cycle times.” For the suspension arm, a yoke needed to be created from the solid material at the end of the arm. During the required four-spindle machining process, the long-chipping workpiece material demands very high drive power to the machine. In addition to this, the internal contour of the part features a number of angles and radii, making the expulsion of chips during milling difficult.
“In order to ensure short process times, we developed a disc milling cutter with ISO indexable inserts that enables roughing and finishing with minimum quantity lubrication in just one step,” recalls Alexander Wiesner. The indexable inserts are coated with CVD diamond. The precisely defined arrangement of the individual inserts limits the drive power required. After considering the comprehensive tests at MAPAL and the data that resulted from them, ELHA set its machine to operate at this drive power. A positive side effect of using the disc milling cutter was the reduction in cycle time, as only one cut is needed. On top of that, the tool only occupies one row of spindles, reducing the resulting tool costs for the end customer.

Deep hole drill for the machining of stainless steel forged components

Vier Tiefbohrer sind während der Bearbeitung von Kraftstoff-Verteilerleisten im Fertigungsmodul zu sehen.
Vierfach-Bearbeitung von Kraftstoff-Verteilerleisten mit Tiefbohrern. Die Besonderheit der Lösung sind die gegenläufig rotierenden Spannvorrichtungen, um den Verlauf des Bohrers zu minimieren. Foto: ELHA. 

„Unser Kunde stellt Verteiler für die Hochdruck-Kraftstoffversorgung von Ottomotoren her. Dafür werden tiefe Bohrungen in schlanke geschmiedete Edelstahl-Rohlinge eingebracht“, sagt ELHA-Projektleiter Jörg Rodehutskors. Das Material ist schwer zerspanbar. Die Bohrung ist 300 mm tief. Der axiale Verlauf des Bohrers muss möglichst gering sein. Ansonsten würde die geforderte Mindestwanddicke des hoch druckbelasteten Bauteils unterschritten. Früher bearbeitete der Hersteller diese Bohrungen in einer separaten, einspindligen Werkzeugmaschine mit einem Einlippen-Tieflochbohrer. 

Um seine Prozesse zu optimieren, stellte der Kunde die Anforderung an ELHA, dass die beschriebene sowie alle anderen Bearbeitungsaufgaben mehrspindlig innerhalb ein- und desselben Fertigungsmoduls ausgeführt werden. Die Teile sollten das Fertigungsmodul in einbaufertigem Zustand verlassen.

Für die beschriebene Bohrung holte sich ELHA MAPAL mit ins Boot. Der Werkzeughersteller sollte einen Bohrer liefern, der die Bearbeitung schneller und mit weniger Verlauf und Verschleiß ausführt. Die MAPAL Ingenieure entwickelten daraufhin einen exakt darauf ausgelegten zweischneidigen Vollhartmetallbohrer. Bei den Einsatzparametern vc = 90 m/min und f = 0,5 mm erreicht das neue Werkzeug einen Standweg von 80 Metern und damit fast den dreifachen Weg, den die zuvor eingesetzte Lösung erzielte. Zu den Besonderheiten der gemeinsamen Entwicklung von ELHA und MAPAL zählt auch, dass die Werkstücke in der Spannvorrichtung während der Bearbeitung gegenläufig zur Drehrichtung des Bohrers rotieren, wodurch der Verlauf der Bohrung zusätzlich minimiert wird. Für den Kunden, der pro Jahr bis zu fünf Millionen dieser Bauteile herstellt, ergeben sich dadurch erhebliche Taktzeitvorteile. Zudem benötigt er nur noch eine Maschine, um alle Bearbeitungen zu realisieren. 

Synergien durch Entwicklungspartnerschaft

„Diese drei Beispiele verdeutlichen die Vorteile unserer engen Zusammenarbeit mit MAPAL“, bilanziert Carina Becker vom Technischen Vertrieb bei ELHA, „unseren Konstrukteuren stehen zusätzliche Freiheitsgrade dank der Kooperation offen.“ Die Spezialisten für die Entwicklung von Hochleistungswerkzeugen von MAPAL sowie deren hervorragend ausgestattete F&E-Abteilung in Aalen gestatten es, schon während der Planungsphase neue Werkzeuglösungen entwickeln und intensiv testen zu lassen. Somit kann ELHA seinen Kunden noch ausgereiftere und wirtschaftlich vorteilhaftere Lösungen anbieten. 

Die Fertigungsmodul-Philosophie

Blick in den Innenraum eines Fertigungsmoduls. Zu sehen sind zwei Spindelreihenrevolver.
Der Blick in den Innenraum eines Fertigungsmoduls zeigt die Bestückung mit zwei Spindelreihenrevolvern auf der linken Seite. 
ELHA entwickelte die Fertigungsmodul-Baureihe vor allem für die spanabhebende Fertigung von Massenbauteilen (> 100.000 gleiche oder ähnliche Bauteile). Bei diesem Konzept werden nicht die Werkzeuge bewegt, sondern die Bauteile werden zu den jeweils in Reihen angeordneten Werkzeugen verfahren. Jede Werkzeugreihe verfügt über ein auf die Bearbeitungsaufgabe hin optimiertes Spann- und Antriebssystem. Die Werkstücke werden mitsamt der Spannvorrichtung von Werkzeugreihe zu Werkzeugreihe verfahren, wodurch kürzeste Span-zu-Span-Zeiten erreicht werden. Das modular aufgebaute System kann mit unterschiedlichen Mehrspindel-Modulen bestückt werden. Für noch mehr Flexibilität können Mehrspindel-Revolver eingesetzt werden, auf denen bis zu 128 direkt angetriebene Werkzeuge Platz finden. 

Über die ELHA-MASCHINENBAU Liemke KG

ELHA-MASCHINENBAU ist ein familiengeführtes Unternehmen und stellt Werkzeugmaschinen für die spanabhebende Metallbearbeitung her. 1930 gegründet, ist das Unternehmen heute bekannt für maßgeschneiderte Bearbeitungszentren, Sondermaschinen und Fertigungsmodule. 

Kontakt

Andreas Enzenbach Pressesprecher und Leitung Marketing Andreas.Enzenbach@mapal.com Tel.: +49 7361 585 3683


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