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Tiefe Taschen sind schnell gemacht

| Redakteur: MM

Weiterentwickelte Fräswerkzeuge bearbeiten Leichtmetall-Strukturbauteile mit hoher Geschwindigkeit. Bei der spanenden Bearbeitung, vor allem in der Leichtmetallzerspanung, sind immer effizientere...

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( Archiv: Vogel Business Media )

Weiterentwickelte Fräswerkzeuge bearbeiten Leichtmetall-Strukturbauteile mit hoher GeschwindigkeitBei der spanenden Bearbeitung, vor allem in der Leichtmetallzerspanung, sind immer effizientere Prozesse gefragt. Diese reichen von der Trockenbearbeitung bis hin zur Zerspanung mit sehr hohen Zeitspanvolumina. Der Grund dafür sind immer größere oder komplexere Bauteile und demzufolge ein höherer Prozentsatz des zerspanten Volumens im Vergleich zum Bauteilvolumen, beispielsweise die Leichtbauweise im Flugzeugbau bei sehr hoher Materialfestigkeit und Steifigkeit und Automobilbau. Diese fertigungstechnischen Forderungen sind ursächlich für die Überarbeitung und Weiterentwicklung von Werkzeugen in der Zerspanung. Die Ziele dabei sind: - große Zeitspanvolumina,- hohe Schnittgeschwindigkeiten,- hervorragende Oberflächenqualitäten,- die Eignung für Minimalmengenschmierung (MMS) und Trockenbearbeitung, - hohe Standzeiten und - hohe Prozessstabilität.Aufgrund dieser Fülle von Anforderungen wurde ein neues Werkzeugkonzept entwickelt, das diesen Ansprüchen gerecht wird (Bild 1). Die Konstruktion eines neuen Werkzeugs für das Hochleistungsfräsen sollte sowohl den auftretenden Zerspanungskräften als auch den bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung deutlich höher zu bewertenden Fliehkräften Rechnung tragen. Im Einzelnen lassen sich die Kraftkomponenten Tangentialkraft/Hauptschnittkraft (Ft), Radialkraft/Schnittnormalkraft (Fr), Passivkraft/Axialkraft (Fa), Fliehkraft angreifend an den Grundkörper (Fc) und Fliehkraft angreifend an einer Wendeschneidplatte (Fi) unterscheiden (Bild 2). Die Schnittkräfte treten durch das Abtrennen des Spanes an der Hauptschneidkante des Werkzeugs auf, werden von den Trennstellen aufgenommen und auf die Maschine übertragen. Idealerweise werden hierbei die Wendeschneidplatten ohne zusätzliche Belastung auf die Verbindungselemente in den Plattensitz gedrückt. Somit entsteht auch bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung nur geringe Belastung auf die Verbindungselemente durch auftretende Schnittkräfte. Formschlüssiger Sitz fixiert die WendeplatteHohe Schnittgeschwindigkeiten werden durch hohe Umdrehungen der Werkzeuge erreicht, die sowohl das Werkzeug, die Wendeschneidplatte (WSP) und deren Verbindung aufs Höchste beanspruchen. Mit steigender Drehzahl nimmt die Fliehkraft stark zu und wird zum versagensauslösenden Belastungsfaktor. Bei der Leichtmetallbearbeitung nimmt die Fliehkraft deutlich höhere Werte an als die Zerspanungskraft. Den sich daraus ergebenden höchsten Anforderungen an die Prozesssicherheit wird das neue HSC-HP-Werkzeugkonzept durch einen patentierten formschlüssigen Plattensitz gerecht. Das zeigt sich auch an den maximal zulässigen Drehzahlen des Werkzeugsystems, das bei einem Durchmesser von 32 mm den Extremwert von 40 000 min-1 zulässt. Diese Maximaldrehzahl wurde durch wissenschaftliche Fliehkrafttests an namhaften Universitäten verifiziert.Um die Konstruktion eines Hochleistungswerkzeugs zu perfektionieren, werden numerische Methoden wie die Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Berechnung der Spannungs- und Dehnungsverteilung im Werkzeug unter technischen Einsatzbedingungen herangezogen. Dabei können sowohl Werkzeuggrundkörper als auch Wendeschneidplatten oder Kombinationen beider berechnet werden. Die Ergebnisse dieser Analysen ermöglichen die Optimierung eines Werkzeugsystems ohne aufwendigen Prototypenbau und führen zu optimal angepassten Werkzeuggeometrien (Bild 3). Auch bei der Entwicklung der Geometrie des Spanraumes wurde an alle Eventualitäten gedacht. Das Design der integrierten Kühlkanäle und die Austrittsöffnung beziehungsweise Austrittsdüse werden den hohen Anforderungen der Minimalmengenschmierung (MMS) voll und ganz gerecht. Die sich daraus ergebenden Vorteile für die Zerspanung sind:- günstige Spanbildung bei hohen Schnittgeschwindigkeiten,- hohe Zerspanungsvolumina und gezielte, effiziente Kühlung an der Schneidkante während der Zerspanung.Das Design der Spanräume wurde hinsichtlich der Spanabführung und der Vermeidung von Spänestau ebenfalls optimiert. Dies ist beispielsweise bei der Herstellung von tiefen Taschen bei Strukturbauteilen ein deutliches Plus.Stabilisierungsfase verhindert AusbrücheDas Werkzeug-Konzept wurde im Durchmesserbereich für alle gängigen Standardgrößen optimiert, auch Sonderwerkzeuge sind möglich. Es werden somit alle Bearbeitungsaufgaben in der HSC-Zerspanung von Leichtmetallen abgedeckt. Die Werkzeuge mit 19-mm-Wendeschneidplatte gibt es in den gängigen Abstufungen von Durchmesser 25 bis 100 mm, als Schaftvariante im kleinen Durchmesserbereich und als Aufsteckvariante für größere Durchmesser. Es gibt auch eine geschraubte Ausführung, und im Monoblockbereich die Ausführung mit HSK-63A.Speziell für die HSC-Zerspanung musste eine neue, innovative und extrem schnittfreudige Wendeschneidplatte entwickelt werden (Bild 4). Eine weitere Anforderung: Die Wendeschneidplatte sollte alle gängigen Eckenradien, die in dieser Industrie angewandt werden - von 0,2 bis 5 mm - in einem Konzept vereinen. Dies wurde beim HSC-HP-Fräser voll und ganz erfüllt. Weiterhin wurde die Wendeplatte mit einer Stabilisierungsfase versehen, die die Neigung der Schneidkante zu Ausbrüchen nahezu auf null herabsenkt. Dadurch werden die Standzeit, die Prozessstabilität und die Oberflächengüte des Werkstücks weiter erhöht.Die Schneidkantengeometrie wurde in Einbaulage so konzipiert, dass die Werkstückseitenwände nahezu in einem Durchgang auf Finishqualität gearbeitet werden können. Und das ohne zusätzliche Schlichtoperationen! Somit sind die Fräswerkzeuge sowohl für Schrupp- als auch für Schlichtoperationen einsetzbar. Noch besser: es vereint mitunter beide Prozesse in einem, was die Effizienz deutlich erhöht. Auch hier wurde der Forderung nach verkürzten Bearbeitungszeiten Rechnung getragen. Optimierte Spanleitstufe vereinfacht SpäneabfuhrZusätzlich wurde die Spanleitstufe so ausgearbeitet, dass die aus dem Zerspanungsprozess resultierenden Späne eine ideale Form aufweisen, was die Entsorgung und den Späneabtransport stark vereinfacht. Die Schneidplattengeometrie ist für Eintauchwinkel bis zu 15° ausgelegt, die zur effizienten Bearbeitung von Leichtbauteilen notwendig sind. Schräg Eintauchen und anschließende Taschenbearbeitung sind hiermit ebenfalls in einem Bearbeitungsdurchgang möglich.Das Versagen eines Werkzeug-Körpers bei der Herstellung großer komplexer Bauteile kann zu Beschädigungen des Bauteiles führen, was erhebliche Kosten verursacht. Die Zuverlässigkeit des Werkzeug-Systems ist deshalb immens wichtig. Der neuartige und patentierte formschlüssige Plattensitz ermöglicht es deshalb, die WSP bei hohen Zentrifugalkräften in Position zu halten, wodurch wiederum die Prozesssicherheit und -stabilität erhöht werden kann.Das neue Fräserkonzept ist jedoch nicht ausschließlich für die HSC-Bearbeitung gedacht. Für Anwendungen im konventionellen Schnittbereich kann das Werkzeug-System mit glattem Plattensitz für extrem hohe Vorschubgeschwindigkeiten im HPC-Bereich herangezogen werden (Bild 5). Umfangreiche Tests zeigten hervorragende Ergebnisse auch im Grenzbereich. So konnten Spanvolumina bis zu 6000 cm3/min und Schnittgeschwindigkeiten bis zu 5500 m/min (Drehzahlen bis 36 000 min-1) erzielt werden. Die Oberflächengüte erreichte bereits im ersten Durchgang im stabilen Zerspanungsbereich (also ohne Vibrationen) Finish-Qualitäten. Die Fräser eignen sich für Nass- und TrockeneinsatzDie Untersuchung der gängigen Kühlstrategien bestätigt die Eignung des Fräserkonzepts sowohl für den Trocken- als auch für den Nasseinsatz. Die Spezialschneidstoffsorte H216T mit Microfinish-Oberfläche erbrachte dabei exzellente Standzeiten. Beim Bearbeiten einer Trägerkonsole aus Al7075 (Bild 6) konnten beste Ergebnisse erzielt werden (Parameter: vc 2091 m/min, ap 10 mm, ae 20 mm, vf 12480 mm/min, fz 0,3 mm, n 20800 min-1):- Oberflächengüte Ra- deutliche Reduzierung der Fertigungszeit,- gute Spankontrolle und- Mindermengenschmierung.Die entwickelten Fräswerkzeuge erfüllen somit alle Anforderungen an moderne Frässtrategien optimal. Die Weiterentwicklung der Maschinenkonzepte wie hohe Spindeldrehzahlen, Bahngeschwindigkeiten und Vorschubgeschwindigkeiten werden ebenso berücksichtigt wie das Bearbeiten komplexer Bauteile mit spezifizierten Oberflächengüten und hohen Spanvolumina.