Quadratische Bohrungen durch Räumen: Warum verklemmen sich Vierkantschäfte?

Eine durch Räumen erzeugte quadratische Bohrung sieht aus wie das einfachste Merkmal an einer Antriebsnabe, bis zu dem Moment, an dem sich der Schaft nicht mehr einführen lässt. Auftrag 260616007 kam im November 2023 von einem Hersteller von Ventilantriebskomponenten, dessen vorheriger Lieferant schwarz eloxierte Naben geliefert hatte, die von Hand mit einem Hammer in einer Schicht und in der nächsten Schicht durch Schwerkraft zusammengebaut wurden: Das Quadrat maß am Mund der Bohrung korrekt und am anderen Ende falsch, und bei einem Teil der Teile waren die Flächen verdreht, sodass ein perfekt passender Vierkantschaft falsch zur Flanschlochmusterung ausgerichtet war und die Baugruppe in der falschen Position einrastete.

Die Naben auf den Fotos sind die Produktionsstücke aus der folgenden Bestellung: eine AL6061-T6-Doppelflansch-Nabe, gedreht und in einer Mill-Turn-Einrichtung fertiggestellt, mit einer durch Räumen erzeugten quadratischen Bohrung durch den Körper, sechs Löchern in jedem Flansch, einer Rückhalternut am hinteren Ende, einem radialen Querloch, einer schwarzen Eloxierung und einer Lasermarkierung am Körper zwischen den Flanschen. Eine durch Räumen erzeugte quadratische Bohrung ist das Merkmal, das entscheidet, ob das Teil funktioniert, und es ist das einzige Merkmal, das nach dem Schneiden nicht mehr korrigiert werden kann.

Was muss diese Nabe leisten?

Vier Aufgaben, und die quadratische Bohrung ist diejenige, die den Antrieb überträgt.

Die quadratische Bohrung nimmt den Schaft auf und überträgt Drehmoment. Eine runde Bohrung mit einer Passfeder würde die gleiche Aufgabe erfüllen, aber ein Quadrat ermöglicht die Positionierung des Schafts in der Nabe in vier Positionen und benötigt keine Passfeder, keine Passfedernut und kein separates Sicherungsmerkmal.

Die beiden Flansche positionieren die Baugruppe. Beide Flanschmuster sind in gleichen Abständen angeordnet, und die sechs Löcher in jedem Flansch müssen mit dem Gegenstück-Schraubenmuster übereinstimmen, was bedeutet, dass die beiden Muster von einem Bezugspunkt aus gebohrt werden müssen und nicht von zwei separaten Einrichtungen.

Die Rückhalternut und das radiale Querloch halten die Baugruppe zusammen. Die Nut nimmt den Sicherungsring auf, der das Verrutschen der Nabe auf dem Schaft verhindert, und das Querloch nimmt den Stift auf, der den Schaft axial sichert.

Der eloxierte Film und die Lasermarkierung sind die Oberfläche und die Identität des Teils. Beide werden zuletzt aufgebracht, was bedeutet, dass beide um die Toleranzen herum arbeiten müssen, die die früheren Operationen bereits festgelegt haben.

Warum ist eine quadratische Bohrung schwieriger als eine runde Bohrung?

Eine runde Bohrung wird an einer Stelle beurteilt, eine quadratische Bohrung muss entlang ihrer Tiefe beurteilt werden.

Eine runde Bohrung wird mit einer Dornlehre oder einer Bohrungslehre in einer Tiefe gemessen, und wenn sie dort die richtige Größe hat, hat sie fast immer die richtige Größe im Rest der Bohrung, da ein Reibahle oder eine Bohrstange einen konsistenten Zylinder schneidet.

Eine quadratische Bohrung wird mit einem Räumwerkzeug geschnitten: einer langen Stange mit gestuften Schneidzähnen, die einmal durch ein Pilotloch gedrückt oder gezogen wird, wobei jeder Zahn einen kleinen Schritt tiefer geht als der vorherige. Die Breite über die Flächen wird daher fortschreitend, Zahn für Zahn, entlang der gesamten Tiefe der Bohrung bestimmt. Wenn die Schnittlast entlang des Hubs schwankt oder wenn das Werkzeug während des Laufs verschleißt, ist die Bohrung am Einlassende anders als am Auslassende. Das Teil besteht eine Prüfung am Mund und fällt am anderen Ende durch, was genau das Symptom ist, das diesen Auftrag schwierig zu kalkulieren machte.

Deshalb misst die Inspektion bei diesem Auftrag die Breite über die Flächen in drei Tiefen in der Bohrung und nicht nur an der Stirnfläche. Ein Quadrat, das an der Stirnfläche gleichmäßig und am Auslass 0,02 mm unterschiedlich ist, besteht immer noch eine Stirnflächenprüfung und verklemmt immer noch einen Schaft.

Das Räumwerkzeug bestimmt auch die Ausrichtung, und die Ausrichtung kann später nicht mehr korrigiert werden.

Die Winkelposition der Flächen relativ zum Flanschlochmuster wird durch das Räumwerkzeug bestimmt. Welche Ausrichtung das Räumwerkzeug auch immer einführt, das ist das fertige Teil, da keine spätere Operation eine quadratische Bohrung im Teil drehen kann.

Bei einer Nabe wie dieser ist die Konsequenz spezifisch: Ein Vierkantschaft kann perfekt in die Bohrung passen und dennoch seine eigenen Flächen in einem falschen Winkel relativ zum Flanschmuster aufweisen, sodass die Baugruppe verschraubt wird, aber in der falschen Drehposition sitzt. Wenn die Zeichnung keine Toleranz für die Ausrichtung angibt, muss die Werkstatt raten, ob das Räumwerkzeug von einem Flanschloch oder von einer bearbeiteten Fläche geführt wird, und das Rätsel führt zu einer Charge, die maßlich perfekt und funktional falsch ist.

Die Lösung ist prozedural und nicht teuer. Das Pilotloch wird gebohrt und das Räumwerkzeug wird vom gleichen Bezugspunkt aus eingeführt, von dem die Flanschmuster gebohrt wurden, mit einer Führungsbuchse, die verhindert, dass sich das Räumwerkzeug beim Start dreht. Die Ausrichtung wird dann an einem Flanschloch auf einer Lehre überprüft, nicht geschätzt.

Ein durch Räumen erzeugtes Quadrat hat immer einen Eckradius.

Kein Räumwerkzeug kann eine mathematisch scharfe Innenkante schneiden, da die Schneidzähne einen endlichen Eckradius haben. Die Ecken eines durch Räumen erzeugten Quadrats tragen daher einen Radius, und der passende Vierkantschaft muss entsprechend nachgelassen werden. Wenn dies nicht der Fall ist, kontaktiert der Schaft die Flächen und läuft auf den Eckradien statt auf der Auflage, was sich wie eine Interferenz anfühlt, obwohl die Breite über die Flächen korrekt ist.

Die Zeichnung sollte angeben, welcher Eckradius in der Bohrung zulässig ist und welche Nachlassung am Schaft vorgesehen ist. Beides der Annahme zu überlassen, ist der Grund, warum ein Teil, das innerhalb der Toleranz liegt, bei der Montage abgelehnt wird.

Wie wurde die Nabe Schritt für Schritt hergestellt?

Schritt 1 - Profil, Stufen und Rückhalternut in einer Einrichtung drehen

Das Außenprofil, beide Flanschflächen, die gestufte Welle und die Rückhalternut werden in einer Einrichtung gedreht, wobei das Teil auf der Hauptachse gehalten wird. Eine Einrichtung hält die beiden Flansche konzentrisch zueinander und zur Bohrungsachse, was die 0,02 mm Flanschkonzentrizität auf dieser Zeichnung bedingt.

Schritt 2 - Flanschlochmuster in der gleichen Klemmung fräsen

Die sechs Löcher in jedem Flansch werden in der gleichen Klemmung wie das Drehen gefräst, von einem Bezugspunkt aus indiziert, sodass beide Muster eine Achse und eine Winkelreferenz teilen. Das Bohren der beiden Flansche in separaten Einrichtungen führt zu einer Nabe, deren Löcher jeweils mit der Zeichnung und nicht miteinander übereinstimmen.

Schritt 3 - Pilotloch auf die vom Räumwerkzeug erwartete Größe bohren

Das Pilotloch wird auf den Durchmesser gebohrt, dem das Räumwerkzeug folgen soll. Wenn es zu groß geschnitten wird, nimmt jeder Zahn einen leichteren Schnitt als beabsichtigt, was dazu führt, dass sich das Räumwerkzeug verschiebt, anstatt zu schneiden, und die resultierende Bohrung am Auslassende breiter ist als am Einlassende. Wenn es zu klein geschnitten wird, werden die Zähne überlastet und es entsteht ein starker Grat am Auslassende.

Schritt 4 - Quadrat räumen, geführt vom Flanschbezugspunkt

Das Räumwerkzeug wird durch eine Führung eingeführt, die seine Winkelposition hält, wobei das Teil so ausgerichtet ist, dass die Flächen wie gezeichnet zum Flanschmuster ausgerichtet sind. Dies ist der Schritt, der die Ausrichtung des Teils endgültig festlegt, daher ist es der Schritt, bei dem der Bediener die Einrichtung und nicht das fertige Teil überprüft.

Schritt 5 - Austrittskante entgraten und Eckradius beibehalten

Das Räumen schiebt einen Grat vor dem letzten Zahn her, und der Grat sammelt sich an der Austrittsfläche. Die Austrittskante wird entgratet, ohne die von der Zeichnung geforderte Fase zu brechen, und die Eckradien in der Bohrung werden gegen den Radius geprüft, auf den der passende Schaft nachgelassen ist.

Schritt 6 - Schwarz eloxieren zu einem gleichmäßigen Film

Die Nabe wird schwarz eloxiert. Der Film wächst sowohl aus der Aluminiumoberfläche heraus als auch in sie hinein, sodass sich die Bohrung und die Flanschlöcher leicht verengen, und die Eloxierlinie gibt an, welche Abmessungen für die Passung wichtig sind und welche geschützt sind. Ein Teil, das vor dem Eloxieren passt und danach nicht mehr passt, ist normalerweise hier falsch gelaufen und nicht an der Maschine.

Schritt 7 - Lasermarkierung vom gleichen Bezugspunkt

Die Identifikationsmarkierung wird am Körper zwischen den Flanschen angebracht, bezogen auf den gleichen Bezugspunkt, der das Quadrat und die Flanschmuster festgelegt hat, sodass die Markierung bei jedem Teil an der gleichen Stelle relativ zu den Flächen landet. Auf einer schwarz eloxierten Oberfläche ist der Kontrast der Markierung das, was sie lesbar macht, daher wird die Markierung am fertigen Teil und nicht an einer Probe vor dem Eloxieren überprüft.

Schritt 8 - Quadrat entlang seiner Tiefe und die Ausrichtung gegen ein Flanschloch prüfen

Die Endkontrolle umfasst die Breite über die Flächen in drei Tiefen, die Ausrichtung der Flächen zum Flanschlochmuster, die Flanschkonzentrizität, die Position der Nut, den Film und die Markierung. Die Prüfung des Quadrats nur an der Stirnfläche ist die einzige Inspektionsgewohnheit, die eine schlechte Charge die Werkstatt verlassen lässt.

Was maß die 1.600-teilige Serie?

Sechzehnhundert Naben wurden in 22 Tagen versandt, und der Kunde meldete keine manuelle Anpassung bei der Montage und keine Ausrichtungsfehler an der Linie.

Der Fehler, den wir bei unserem eigenen Testlauf gefunden haben

Die fünfzigteilige Testserie bestand die Prüfung am Prüfstand und fiel bei der Lehre durch, und die Ursache war unser Pilotloch.

Jedes Testteil maß innerhalb des Bandes der Breite über die Flächen an der Einlassfläche. Als wir die gleichen Teile am Auslassende maßen, war die Breite 0,02 mm zu groß, mit einem starken Grat an der Austrittskante. Wir hatten das Pilotloch 0,04 mm größer als die vom Räumwerkzeug vorgesehene Größe gebohrt, mit der Begründung, dass ein etwas größeres Pilotloch die Schnittlast erleichtern und die Lebensdauer des Räumwerkzeugs verlängern würde. Das Gegenteil geschah: Mit weniger Material zum Entfernen schnitten die Zähne leicht, das Räumwerkzeug konnte sich in der Bohrung verschieben, anstatt vom Schnitt geführt zu werden, und die letzten Zähne öffneten die Bohrung am Auslassende.

Drei Änderungen flossen in die Produktion ein. Der Durchmesser des Pilotlochs wurde an die Anforderung des Räumwerkzeugs gebunden und am ersten Teil jeder Charge geprüft. Eine Führungsbuchse wurde hinzugefügt, damit das Räumwerkzeug in einer festen Winkelposition beginnt. Und die Breite über die Flächen wurde alle 100 Teile in drei Tiefen gemessen, was die Prüfung ist, die die Abweichung bei den Testteilen mit einer einzigen Messung hätte erkennen lassen.

Zwischen dem Testlauf und der Produktionsserie verschwand die Verjüngung über die Bohrung, und der Austrittsgart war kein Entgratungsproblem mehr.

Drei Methoden zum Schneiden eines inneren Quadrats im Vergleich

Die praktische Regel: Räumen gewinnt bei den Stückkosten, sobald die Form sich wiederholt, Fräsen gewinnt, wenn die Geometrie noch im Wandel ist, und EDM gewinnt, wenn der Eckradius oder das Material die anderen beiden ausschließt. Bei diesem Teil wiederholt sich das Quadrat bei jedem Stück, sodass sich das Räumwerkzeug innerhalb der ersten Bestellung amortisiert hat.

FAQ

Warum ist eine durch Räumen erzeugte quadratische Bohrung an einem Ende eng und am anderen locker?

Weil ein Räumwerkzeug progressiv, Zahn für Zahn, entlang der Tiefe der Bohrung schneidet. Wenn die Schnittlast entlang des Hubs schwankt, oder wenn das Werkzeug während des Laufs verschleißt, oder wenn das Pilotloch nicht die Größe hat, der das Räumwerkzeug folgen soll, sind die Flächen zwischen der Einlassfläche und der Auslassfläche um einige Hundertstel Millimeter unterschiedlich. Eine Prüfung am Mund der Bohrung zeigt dies nicht an, daher muss die Breite über die Flächen in mehreren Tiefen gemessen werden.

Kann eine quadratische Bohrung statt geräumt gefräst werden?

Ja, und für Prototypen wird sie normalerweise gefräst. Ein kleiner Fräser formt die Ecken und ein größerer räumt die Flächen aus. Es funktioniert gut, wenn das Quadrat groß ist, die Menge gering ist oder die Geometrie noch im Wandel ist, aber der Eckradius ist durch den kleinsten Fräser begrenzt, den Sie verwenden können, und die Stückkosten bleiben hoch, da jedes Teil dem gesamten Werkzeugweg folgt.

Wie viel Eckradius hat ein durch Räumen erzeugtes Quadrat?

Er wird durch den Eckradius der Räumwerkzeugzähne bestimmt und kann nicht Null sein, da eine Schneide mit einer scharfen Innenkante sofort versagen würde. Die Zeichnung sollte den Radius angeben, den die Bohrung haben darf, und der passende Vierkantschaft sollte entsprechend nachgelassen werden. Wenn der Schaft scharf bleibt, kontaktiert er die Eckradien statt die Flächen und fühlt sich wie eine Presspassung an, auch wenn die Breite über die Flächen korrekt ist.

Wie prüft man die Ausrichtung einer quadratischen Bohrung zu den Flanschlöchern?

Mit einer Lehre, die sich auf ein Flanschloch bezieht und die Winkelposition der Flächen abliest, anstatt mit dem Auge oder durch Einpassen eines Schafts. Dies muss bei jedem Teil erfolgen, da die Ausrichtung durch den Eintritt des Räumwerkzeugs festgelegt wird und keine spätere Operation die Bohrung drehen kann. Bei diesem Auftrag wird die Prüfung zu 100 Prozent der Teile durchgeführt, zusammen mit dem Flanschindex und der Flanschkonzentrizität.

Was soll auf Ihrer Zeichnung stehen?

Sechs Zeilen klären fast jede Streitigkeit über eine durch Räumen erzeugte quadratische Bohrung:

1. Geben Sie die Breite über die Flächen mit einer Toleranz an und geben Sie an, dass diese entlang der gesamten Tiefe der Bohrung und nicht an der Einlassfläche gilt.
2. Geben Sie die Ausrichtung der Flächen zu einem benannten Flanschloch mit einer Toleranz an und benennen Sie den Bezugspunkt, von dem aus sie gemessen wird.
3. Geben Sie den Eckradius an, den die Bohrung haben darf, und geben Sie die Nachlassung am passenden Schaft an.
4. Geben Sie die Beziehung der Bohrung zur Flanschachse als Konzentrizitäts- oder Rundlaufangabe an.
5. Geben Sie an, welche Oberflächen beim Eloxieren geschützt sind und was der Film mit der Bohrung und den Flanschlöchern machen kann.
6. Geben Sie an, wo sich die Lasermarkierung relativ zu den Flächen befindet, sodass die Markierung und das Quadrat vom gleichen Bezugspunkt aus festgelegt werden.

Eine Nabe ist ein Stapel von Merkmalen, die sich alle auf eine Achse und eine Winkelposition beziehen, und die quadratische Bohrung ist das Merkmal, das die Winkelposition fixiert. Spezifizieren Sie das Quadrat richtig, und der Rest des Teils ist normale Dreh- und Fräsarbeit: konzentrische Flansche, übereinstimmende Löcher und eine Markierung, die bei jedem Stück an der gleichen Stelle landet.

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