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Effiziente Schwerzerspanung mit Hochleistungsfräsern

| Redakteur: MM

Die Schwerzerspanung mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten stellt besondere Anforderungen an Fräswerkzeuge und Wendeschneidplatten. Wichtig für eine effiziente Zerspanung sind vor allem stabile...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Die Schwerzerspanung mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten stellt besondere Anforderungen an Fräswerkzeuge und Wendeschneidplatten. Wichtig für eine effiziente Zerspanung sind vor allem stabile Schneidkanten, zähe Schneidstoffe, harte und zähe Plattensitze, eine feste und sichere Klemmung der Wendeschneidplatten sowie dynamisch steife Werkzeuge.Das Hochgeschwindigkeitsfräsen hat sich in den letzten Jahren mehr und mehr durchgesetzt. Zahlreiche Untersuchungen bestätigen den Vorteil dieser Technik ebenso wie die betriebliche Praxis. Jedoch wurden die meisten Versuche und Anwendungen bei der Bearbeitung verschiedener Stahllegierungen beim Schlichten mit kleinen Schnitttiefen, niedrigen Vorschubwerten und kurzen Eingriffslängen durchgeführt. Beim Bearbeiten von Gusseisen, Aluminium und anderen nicht eisenhaltigen Werkstückstoffen sowie bei aktuellen industriellen Anwendungen werden vorzugsweise höhere Schnittgeschwindigkeiten angewendet. Einer der Hauptanwendungsbereiche für das Hochgeschwindigkeitsfräsen ist die Schlichtbearbeitung von gehärtetem Stahl für Formen und Gesenke.Bei der Schwerzerspanung mit größeren Schnitttiefen und höheren Vorschubwerten begrenzen Reibung, Hitze, hohe Schnittkräfte und übermäßiger Verschleiß die Anwendung sehr hoher Schnittgeschwindigkeiten. Deshalb sind in allen Fällen, bei denen ein großes Zerspanungsvolumen gefordert wird, ein höherer Zahnvorschub und eine größere Schnitttiefe vorzuziehen. Dieser Anwendungsbereich einschließlich der Schnittwerte wird als Hochleistungsfräsen bezeichnet.Das Hochleistungsfräsen erfordert sehr starke Schneidkanten, zähe Wendeschneidplatten, hochfeste Hartmetallsorten sowie sehr stabile und robuste Werkzeuge. Im Gegensatz zum Hochgeschwindigkeitsfräsen können jedoch hier, bedingt durch moderate Drehzahlen, auch unausgewuchtete Werkzeuge verwendet werden. Die wichtigsten Anforderungen beim Hochleistungsfräsen sind harte und zähe Plattensitze, eine stabile Klemmung der Wendeschneidplatte, feste und sichere Klemmvorrichtungen und maximale Querprofile der Fräserkörper und Wendeschneidplatten. Für diesen Anwendungsbereich hat Iscar die Fräswerkzeuge Mill 2000 entwickelt, deren Wendeschneidplatten und Fräserkörper spezielle Geometrie aufweisen und für sehr hohe mechanische Belastungen ausgelegt sind.Die Geometrie der Wendeschneidplatte zur Fräs-Schwerzerspanung hat sehr bedeutende Merkmale (Bild 1). Die rhombische Wendeschneidplatte hat ein schwalbenschwanzförmiges Querprofil, bei dem der obere Teil der seitlichen Fläche im stumpfen Winkel gegen die untere Fläche geneigt ist. Die beiden langen Schneidkanten mit wendelförmiger Geometrie ermöglichen es dem Werkzeug, stufenweise in den Werkstückstoff einzudringen. Dadurch verbessert sich die Stabilität, Schnittkräfte und Antriebsleistung werden reduziert. Darüber hinaus kann man mit diesen wendelförmigen Schneidkanten rechtwinklige und planebene Schultern erzielen. Auf der Spanfläche dieser Wendeschneidplatte befinden sich verhältnismäßig tiefe Spanformermulden. Daraus ergeben sich positive Spanwinkel, ein leichter Spanfluss und geringere Schnittkräfte. Diese außergewöhnliche Spanformergeometrie bewirkt, dass sich der Span nach oben aufrollt und dass sich auch bei großen Schnitttiefen eine optimale Spanform ergibt. Die beiden kurzen Schneidkanten der rhombischen Wendeschneidplatte haben nahe der Ecke einen Abschnitt mit Planfase, die senkrecht zur Ebene der Fräserumdrehung wirkt und für eine hohe Oberflächengüte sorgt. Stabiler Wendeplattensitz lässt hohe Leistung zuDie Vorteile dieser neuen Geometrie gegenüber der Bauart einer positiven Wendeschneidplatte zeigt Bild 2. Wenn die neue Wendeschneidplatte auf dem Fräserkörper geklemmt ist, sind der untere Bereich der Wendeschneidplatte und der gegenüberliegende unterstützende Bereich auf dem Werkzeug (Bild 2a) viel größer als bei der positiven Wendeschneidplatte (Bind 2b). Dadurch wirken die Schnittkräfte mit geringerem Druck auf eine viel stabilere Wendeschneidplatte sowie auf eine größere Sitzfläche ein und lassen eine wesentlich höhere Leistung zu. Außerdem wirkt der Unterbau für die neue Mill-2000-Wendeschneidplatte im Fräserkörper mit seinem stumpfen Eckenwinkel a viel besser gegen plastische Verformung im Vergleich mit der herkömmlichen positiven Wendeschneidplatte, wo der Unterbau im Fräserkörper einen scharfen Eckenwinkel b hat. Die Schnittkräfte Fc, die entlang der Schneidkante auftreten und auf die Spanfläche einwirken, führen zu einer viel besseren Druck- oder Spannungsverteilung. Werden herkömmliche positive Wendeschneidplatten eingesetzt, kann der wesentlich höhere Druck im Schneidkantenbereich (Bild 2f) plastische Verformung hervorrufen. Die Spannungen sind bei den neuen Wendeschneidplatten niedriger und wirken erst in einem gewissen Abstand hinter der Kante des Fräserkörpers (Bild 2e). Im Hinblick auf die Schneidkantenstabilität ermöglicht die schwalbenschwanzförmige Wendeschneidplatte wesentlich höhere Werte (Bild 2c) gegenüber der positiven Bauart (Bild 2d) mit schwächerer Schneidkante. Aus den vorgenannten Merkmalen ergibt sich die Möglichkeit zur Anwendung höherer Schnittwerte wie zum Beispiel größere Schnitttiefen, höhere Vorschubwerte sowie die Bearbeitung anspruchsvollerer Werkstückstoffe. Den Vorteil dieser Schwalbenschwanzklemmung zeigt Bild 3. Bei der Verwendung positiver Wendeschneidplatten mit Schraubenklemmung können die Schnittkräfte, die entlang der Schneidkante wirken, ein Kippen der Wendeschneidplatte im Plattensitz verursachen. Die Klemmung und Positionssicherung übernimmt einzig und allein der Kopf der mittigen Schraube. Dabei wird die Schraube sehr hohen Kräften ausgesetzt. Kommt die schwalbenschwanzförmige Wendeschneidplatte mit mittiger konischer Kopfschraube zum Einsatz, wird die Wendeschneidplatte von starken Klemmkräften in den Plattensitz gezogen und gesichert. Die der Hauptschneide gegenüberliegende schräge Freifläche mit ihrer Schwalbenschwanzform gewährleistet eine sehr stabile Positionierung und verhindert das Kippen, auch wenn das Werkzeug hohen Belastungen ausgesetzt ist. Während der Fräsoperation sind die Schrauben, im Vergleich mit der positiven Wendeschneidplattengeometrie, sehr geringen Kräften ausgesetzt. Um hohe Vorschubwerte und große Schnitttiefen zu ermöglichen, sind die Wendeschneidplatten dicker als gewöhnlich. So haben die Wendeschneidplatten mit 21,8 mm Schneidkantenlänge eine Dicke von 6,8 mm und die 13,5 mm langen Wendeschneidplatten sind 4,6 mm dick. Zum Vergleich: Die entsprechenden positiven Standard-Wendeschneidplatten mit konkaver Spanfläche (Typ: ADKT/APKT PDR) sind nur 5,6 mm oder 3,5 mm dick bei 15 mm oder 10 mm Schneidkantenlänge. Eine zweite Ausführung der Mill-2000-Wendeschneidplatte mit dem Zusatz MM hat auf der Spanfläche - rechtwinklig zu den Schneidkanten - kleine Vertiefungen. Gegenüber der Wendeschneidplatte mit glatter konkaver Spanfläche reduzieren sich bei Verwendung der Wendeschneidplatte mit den Vertiefungen auf der Spanfläche Reibung und Hitzeentwicklung. Darüber hinaus wird eine längere Standzeit erreicht; Schnittkraft und Antriebsleistung reduzieren sich.Zur Fräs-Schwerzerspanung werden hauptsächlich TiAlN/PVD-beschichtete Sorten wie IC950 für Stahl, IC910 für Gusseisen und IC928 oder IC908 für rostbeständigen Stahl und hoch hitzebeständige Legierungen verwendet. Bild 4 zeigt die Baureihe der Fräserfamilie für die Schwerzerspanung, sowohl Schaftfräser als auch Aufsteckfräser zum Plan- und Eckfräsen (Typ: 3M-F90AX), zum 90°-Fräsen und zum Nutenfräsen. Darüber hinaus gibt es Walzenstirnfräser (SM) mit gewendelten Spannuten zum Fräsen tiefer Nuten und Schultern mit Durchmessern von 25 bis 200 mm. Die Mill-2000-Fräser im größeren Durchmesserbereich haben zwischen dem Plattensitz und der Wendeschneidplatte eine Unterlageplatte, um den Fräserkörper bei einer Beschädigung der Wendeschneidplatte zu schützen. Bei sehr hoher Beanspruchung beim Planfräsen kommen die neuen Fräser 3M F45AX mit 45°-Einstellwinkel zum Einsatz. Bestückt werden sie mit Wendeschneidplatten, deren 21,8 mm lange Schneidkanten mit einer Schlichtfase von 45° ausgestattet sind. Zwei weitere Vorteile dieser Fräser sind der um 40% höhere Vorschub - möglich durch die 45°-Positionierung der Schneidkante im Fräser - sowie der stufenweise Ein- und Austritt in und aus dem Werkstück. Diese Geometrie lässt sehr hohe Kräfte zu, das heißt größere Schnitttiefen und sehr hohe Vorschubwerte. So kann beim Nutenfräsen in legiertem Stahl 1.6582 (35CrNiMo6) mit einem Fräser von 80 mm Durchmesser bei einer Schnitttiefe bis 8 mm ein Vorschub pro Zahn von 0,6 mm und eine Schnittgeschwindigkeit von 180 m/min gefahren werden. Mit einem Tischvorschub von 1,8 m/min wird bei dieser typischen Schwerzerspanung eine sehr hohe Produktivitätsrate erzielt. Die Maschine benötigt eine Antriebsleistung von über 25 kW. Die Wirtschaftlichkeit ist größer, wenn man dieselben Wendeschneidplatten auf 75°-Planfräser montiert. Dabei werden die beiden kurzen Schneidkanten genutzt.Die sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit der Wendeschneidplatte und des Fräserkörpers, kombiniert mit der sicheren Klemmung der Wendeschneidplatte, ermöglichen die Verwendung dieser Werkzeuge bei der Schwerzerspanung, für unterbrochene Schnitte, zur Herstellung großer und tiefer Schultern und Nuten sowie auch zum Planfräsen - und das alles mit sehr hoher Produktivität. Ein Ergebnis der Nutzung der neuen Werkzeuge ist in der Tabelle dargestellt. Während mit einem Werkzeugsystem mit positiver wendelförmiger Schneidkante nur ein Vorschub pro Zahn von 0,15 mm und ein Tischvorschub von 630 mm/min möglich war, konnte mit dem neuen Mill-2000-Fräser und der Wendeschneidplatte 3M-AXKT1304 in der Hartmetallsorte IC 950 ein Vorschub pro Zahn von 0,25 mm und ein Tischvorschub von 1400 mm/min gefahren werden. Die Schnittgeschwindigkeit von 140 m/min, Schnitttiefe von 10 mm und Schnittbreite von 32 mm waren konstant. Das Resultat war eine um 220% höhere Produktivität bei sehr guter Leistung.Lange Werkzeugstandzeit bei hoher Schnittleistung Einen weiteren Vorteil zeigt Bild 5. In diesem Fall konnte ein Mill-2000-Wendelschaftfräser mit 240 mm Auskraglänge eine Schulter von 210 mm Tiefe stufenweise mit relativ guter Stabilität bearbeiten. Die Stabilität wurde verbessert durch den festen Fräserkörper, die positive Geometrie der Spanfläche und die wendelförmige Schneidkantengeometrie. Daraus resultierte die gute Leistung: Kein sichtbarer Verschleiß an der Wendeschneidplatte bei mehr als 9 m Schnittlänge und über 15 min Standzeit. Der Vorschub pro Zahn war 0,3 mm bei einem Tischvorschub von 618 mm/min und einer Schnittgeschwindigkeit von 104 m/min. Jede Stufe war 35 mm tief und 10 mm breit.