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Fräsmaschinen

Drei-Achsen-Fräskopf mit Bogenführung eröffnet neue Dimensionen beim Fräsen

| Autor/ Redakteur: Rüdiger Schrott / Bernhard Kuttkat

Die Schwachstellen herkömmlicher zweiachsiger Fräsköpfe – der so genannte Pol beziehungsweise ein eingeschränkter Schwenkbereich – behebt ein neu entwickelter Drei-Achsen-Gabelkopf. Seine zusätzliche Bogenführung verbindet die Vorteile der bekannten Konzepte in optimaler Weise und eröffnet der Fünf-Achs-Simultanbearbeitung neue Dimensionen.

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Der Drei-Achs-Fräskopf mit zusätzlicher Bogenführung bietet einen großen Schwenkwinkel für ein breites Anwendungsspektrum und löst das Problem der Polstelle. Bild: F. Zimmermann
Der Drei-Achs-Fräskopf mit zusätzlicher Bogenführung bietet einen großen Schwenkwinkel für ein breites Anwendungsspektrum und löst das Problem der Polstelle. Bild: F. Zimmermann
( Archiv: Vogel Business Media )

Fräsmaschinen mit fünf Achsen sind echte Alleskönner – so ist zumindest die Erwartung des Kunden, denn die Investition in die Fünf-Achs-Technik soll sich schließlich möglichst rasch amortisieren. Komplexe Bauteile können in nur einer Aufspannung bearbeitet werden.

Das garantiert nicht nur eine hohe Genauigkeit, sondern auch die Fertigstellung des Teils in kürzester Zeit. Fast schon selbstverständlich ist die Forderung nach höchster Dynamik und damit Produktivität. Moderne Maschinenkonzepte erfüllen diese Forderungen zu einem großen Teil.

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Deshalb sind viele anspruchsvolle Bearbeitungsaufgaben ohne eine fünfachsige Fräsmaschine nicht oder nicht wirtschaftlich realisierbar. Bei Fräsmaschinen mit großen Arbeitsräumen werden die beiden Rundachsen in der Regel in einen zweifach schwenkbaren Fräskopf integriert, wobei es unterschiedliche Konzepte hinsichtlich der Achsanordnung gibt.

Generell kann man sicherlich sagen, dass die fünfachsige Fräsmaschine nach wie vor als High-End-Maschinenkonzept gilt, das das „technisch Machbare“ darstellt. Das bedeutet aber nicht, dass es in der Praxis keine weitergehenden Forderungen gäbe. Sicherlich kann die Produktivität nie hoch genug sein. Das Gleiche gilt für die Genauigkeit, insbesondere die dauerhafte Genauigkeit einer Maschine.

Polstelle bei Fräsköpfen mit A- und C-Achse

Zweiachsige Fräsköpfe, die besonders große Schwenkwinkel zulassen, haben in der Regel die Achsen A und C. An der Stelle A = 0° ergibt sich deswegen ein sogenannter Pol. Die C-Achse dreht die Frässpindel lediglich um die eigene Achse, es findet keine Winkeländerung der Spindel in Bezug auf das Werkstück statt.

Die Konsequenz ist, dass selbst für sehr kleine Winkeländerungen der Spindel Drehbewegungen der C-Achse von bis zu 90° notwendig sind. Bei der Bearbeitung von konischen Kavitäten, beispielsweise bei typischen Bauteilen aus dem Formenbau oder der Flugzeugindustrie, ergibt sich daraus die Einschränkung, dass der Vorschub in den Ecken sehr langsam wird. Die Folgen sind außer der niedrigen Produktivität eine schlechte Oberflächenqualität und ein erhöhter Werkzeugverschleiß.

Fräsköpfe mit A- und B-Achse haben dieses Problem ebenso wenig wie parallelkinematische Maschinenkonzepte. Diese haben jedoch eingeschränkte Schwenkbereiche, wodurch das Anwendungsspektrum begrenzt wird. Sicherlich ist dies der Hauptgrund dafür, warum diese Lösungen im Formenbau kaum eingesetzt werden.

B-Achse des Fräskopfes in Bogenführungen gelagert

Die optimale Anordnung der Rundachsen in einem Fräskopf ist also abhängig von der Anwendung. Entweder die kardanische Lösung mit A- und B-Achse oder, für den flexiblen Einsatz mit großen Schwenkwinkeln, der klassische Gabelkopf mit A- und C-Achse.

Und genau da setzt der neue Drei-Achsen-Fräskopf M3 ABC an. Der optimale Fräskopf soll beides bieten: große Schwenkwinkel für ein breites Anwendungsspektrum und eine Lösung für das Problem der Polstelle.

Durch die zusätzliche Bogenführung ist es nun erstmals gelungen, die Vorteile der bekannten Konzepte in optimaler Weise zu verbinden. Auf der EMO Hannover 2007 wurde das Konzept zum ersten Mal einer breiten Öffentlichkeit vorgestellt. Die Resonanz war hervorragend. Die Rede war von „einer der echten Neuheiten der Messe“.

Neuer Fräskopf verfügt über C-Achse mit einem Schwenkbereich von ±360°

Der M3 ABC verfügt über eine C-Achse mit einem Schwenkbereich von ±360°. Die A-Achse schwenkt die Frässpindel um ±110°. Zwischen den beiden Achsen A und C ist die B-Achse (±15°) angeordnet, die in zwei neu entwickelten Bogenführungen gelagert ist.

Die Bogenführung bietet den besonderen Vorteil, dass der gesamte Fräskopf trotz zusätzlicher Achse äußerst kompakt ausgeführt werden kann. Die beiden horizontalen Achsen A und B schneiden sich in der Spindelmitte und sind somit optimal angeordnet.

Alle drei Rundachsen sind mit hochdynamischen Antrieben, direkten Messsystemen und Klemmungen ausgestattet. Der M3 ABC ist für die Volumenzerspanung von Aluminium und die HSC-Schlichtbearbeitung von Stahl und Guss ausgelegt. Weitere Fräsköpfe werden die sogenannte M-Serie künftig vervollständigen.

Geometriefehler der Fräsmaschine werden kompensierbar

Wenn das Problem der Polstelle gelöst werden kann, ergeben sich daraus wesentliche Vorteile. Ein Fräskopf, der kleinste Schwenkbewegungen von zum Beispiel nur wenigen Winkelsekunden blitzschnell durchführen kann, ist die Basis für eine Maschine mit erweiterter Achskompensation.

Das Ziel ist eine umfassende und volumetrische Kompensation des gesamten Arbeitsraums. Umfassend bedeutet, dass alle linearen und rotatorischen Achsen der Maschine in Relation zueinander kompensiert werden.

Wichtig ist, dass dabei die Kompensation der Spindelorientierung mit einbezogen wird. Daraus folgt letztlich, dass die Geometriefehler der Maschinenstruktur kompensierbar werden.

Siemens-CNC kann mit neuem Fräskopf optimal genutzt werden

Dafür bietet beispielsweise Siemens-CNC 840 D die Option „VCS 5ax“ an, die mit dem Fräskopf M3 ABC optimal genutzt werden kann. Außer der erhöhten Maschinengenauigkeit ergibt sich der enorme Vorteil, dass eine sich im Betrieb befindende Fräsmaschine jederzeit und innerhalb weniger Stunden wieder volumetrisch kompensiert werden kann. Die dauerhafte Genauigkeit des gesamten Arbeitsraums ist sichergestellt.

Die heutigen CNC beherrschen die Fünf-Achsen-Simultanbearbeitung ebenso wie einige CAD/CAM-Systeme, die außer der Berechnung der NC-Daten eine zuverlässige Kollisionsbetrachtung durchführen können. Die Polstelle beim klassischen Gabelkopf ist der wesentliche Grund dafür, warum im Formenbau in der Regel nur mit angestelltem Werkzeug, also im sogenannten 3+2-Achsen-Betrieb, gearbeitet wird.

Eine typische Anwendung in der Flugzeugindustrie ist das Taschenfräsen an Strukturbauteilen. Übrig bleiben extrem verrippte Bauteile, die oft weniger als 10% des Rohlings wiegen. Die Wände der Taschen sind in vielen Fällen etwa 3 bis 5° angestellt, weshalb die Taschen fünfachsig walzgefräst werden.

Taschenfräsen mit neuem Fräskopf deutlich erleichtert

Dabei stößt der klassische Gabelkopf mit A- und C-Achse an seine Grenzen, weil die C-Achse in jeder Ecke um einen Winkel von etwa 90° gedreht werden muss. Für einen kurzen Moment ist der Vorschub des Werkzeugs nahe null. Dies wirkt sich nicht nur auf die Oberflächenqualität und die Werkzeugstandzeit negativ aus, sondern auch auf die Produktivität. Die durchschnittliche Vorschubgeschwindigkeit ist niedrig.

Deshalb haben sich in diesem Bereich Sondermaschinen mit kardanischer Achsanordnung, also mit A- und B-Achse, beziehungsweise parallelkinematische Fräsköpfe etabliert. Die kurzen Schwenkbewegungen in den Ecken der Taschen können auf direktem Weg und somit blitzschnell erfolgen. Der durchschnittliche Vorschub ist hoch und die Produktivität häufig mehr als verdoppelt.

Fräskopf M3 ABC arbeitet mit höchster Produktivität

Die Einschränkung dieser Fräsköpfe ist der Schwenkbereich, der üblicherweise nur etwa ±40° beträgt. Deshalb können die Bauteile oftmals nur mit zusätzlichen Winkelköpfen fertigbearbeitet werden. Mit dem Fräskopf M3 ABC wird die Kavität mit den Achsen A und B mit höchster Produktivität bearbeitet. Sind große Anstellungen erforderlich, ist dies mit den Achsen A und C problemlos möglich.

Der erste Kunde, der sich für das neue Maschinenkonzept entschieden hat, ist der Modell- und Formenbauer Kegelmann Technik in Rodgau-Jügesheim. Die Zimmermann-Portalfräsmaschine mit einem Arbeitsraum von 6000 mm × 3000 mm × 1500 mm wird in den kommenden Monaten in Betrieb genommen.

Die erforderliche Sechs-Achsen-Transformation übernimmt die Siemens-CNC 840 D. Das CAM-System für die intelligente Fünf- und Sechs-Achsen-Bearbeitung ist Sescoi Work NC. Die ersten NC-Programme liegen bereits vor. In der Simulation läuft die Maschine also bereits.

Dipl.-Ing. (FH) Rüdiger Schrott ist Geschäftsführer der Gimbal GmbH, einer Tochtergesellschaft der F. Zimmermann GmbH in 73770 Denkendorf.

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