Fünfachs-Simultan-Hartfräsen im Werkzeug- und Formenbau

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Die Zusammenarbeit umfasste ein europaweites Konsortium aus Forschungsinstituten, Maschinen- und CAM-Herstellern, Werkzeug- und Beschichtungsherstellern, Mess- und Spannmittelherstellern sowie Endanwendern aus verschiedenen Bereichen des Werkzeug- und Formenbaus. Dabei wurde neben einer neuartigen, vollhydrostatisch gelagerten Werkzeugmaschine bewusst die gesamte Prozesskette des Hartfräsens betrachtet, weil sich nur so die gesetzten Ziele realisieren lassen.

Einheitliches Schlicht-Aufmaß durch Schruppen erzeugen

Als Beispiel für die simultan fünfachsige Hartbearbeitung wurde unter anderem ein Gesenk zum Präzisionstiefziehen von Weißblechdosen herangezogen. Das Gesenk stellt sehr hohe Anforderungen an den Werkstoff wie auch an die zu erzielende Oberflächenqualität und Genauigkeit, weil die im Tiefziehprozess hergestellten Bauteile höchsten Anforderungen an die Dichtigkeit und damit die Reproduzierbarkeit der Einzelelemente gerecht werden müssen.

Um eine schnelle Herstellung verschiedenster Varianten aus einem einheitlichen Rohling zu ermöglichen, wurde, ausgehend von einer einfachen Startlochbohrung, ein gehärteter Rohling für die Fräsbearbeitung zugrunde gelegt. Der Fokus bei der Auslegung von Schrupp- und Vorschlichtprozessen wurde dann darauf gelegt, in kürzester Zeit bei optimaler Ausnutzung der Fräswerkzeuge zu einem einheitlichen Aufmaß zu gelangen, das dann eine finale Schlichtbearbeitung zur Einstellung von Genauigkeit und Oberflächengüte ermöglicht.

Optimaler Schruppprozess reduziert Schlichtaufwand

Eine geschickte Prozessauslegung konnte in diesem Fall dazu genutzt werden, mit nur einem Schruppprozess ein stufenloses Ausräumen der Kavität zu erzielen. Dies ermöglicht eine deutliche Reduktion des Vorschlichtaufwands und spart somit nicht nur Bearbeitungszeit, sondern zudem auch Programmieraufwand für das Abtragen des bei dreiachsigen Schruppprozessen verbleibenden Restmaterials. Die Bearbeitungsstrategie für die simultan fünfachsige Schruppbearbeitung ist in Bild 2 dargestellt.

Das Werkzeug wird im Verlauf der Bearbeitung zum einen schrittweise von der runden Startlochbohrung im Zentrum des Bauteils an die Rechteckform der Endgeometrie angepasst. Zum anderen wird in der senkrechten Ebene das Werkzeug so geneigt, dass es im letzten Schnitt die schräge Innenkontur des Bauteils in einem Wälzfräsprozess erzeugt.

Bei dreiachsiger Bewegungsführung werden die Werkzeugschneiden häufig mit geringer Schnitttiefe nur zu einem geringen Teil genutzt. Die vorgestellte Bearbeitungsstrategie ermöglicht die vollständige Ausnutzung der Werkzeugschneide, womit bei entsprechend gedrallten Werkzeugen ein stabiler Prozess sowie eine Verteilung des Werkzeugverschleißes auf den gesamten Schneidenbereich erreicht wird.

Die wirtschaftliche Begutachtung der vorgestellten Strategie zeigt, dass trotz vollständiger Hartbearbeitung ähnliche Bearbeitungszeiten wie bei der konventionellen, kombinierten Weich-, Hart- und EDM-Bearbeitung erreicht werden konnten. Unter Berücksichtigung des deutlich verringerten Logistikaufwands und der verkürzten Durchlaufzeit ergibt sich damit ein deutlicher Vorteil für die fünfachsige Hartbearbeitung.

Prof. Dr.-Ing. Fritz Klocke ist Leiter des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie (IPT) in 52074 Aachen; Lothar Glasmacher, Kristian Arntz, Matthias Meinecke sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut; Claus Richterich ist Mitarbeiter der Module Works GmbH in 52072 Aachen.

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