Wege zu höherer Energieeffizienz in der Zerspanung

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MAPAL Fabrik für Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG

Die Grundleistung und damit die Energie für die Bearbeitungsmaschine, die für ihren betriebsbereiten Zustand nötig ist, haben in der Regel einen relativ großen Anteil an der Gesamtleistung und -energie. Damit beeinflusst die Maschinenbelegungszeit die Gesamtenergie relativ stark. Sowohl Hauptzeiten als auch Nebenzeiten sollten also für einen energieeffizienten Prozess möglichst gering sein.

Die Steigerung der Produktivität ist auch bisher Optimierungsziel in der Zerspanung. In diesem Bereich gibt es eine Reihe von wirkungsvollen Maßnahmen, den Energieverbrauch zu senken. Ein Beispiel für das Bohren zeigt Bild 5. Durch eine Optimierung des Bohrwerkzeugs wurde eine Verringerung der Hauptzeit um 70 % und eine Verringerung des Energiebedarfs während der Hauptzeit um 60 % erreicht. Die wichtigste Änderung der Werkzeuggeometrie war eine andere Anordnung der Führungsfasen, sodass der Bohrer im vorhandenen Bohrloch nicht eingeklemmt werden kann. Daneben wurden auch Schneidstoff und Beschichtung geändert.

Das Rattern des Werkzeugs begrenzt die Produktivität

Eine weitere Möglichkeit, die Produktivität und damit die Energieeffizienz zu steigern, ist die Erhöhung des Vorschubs pro Umdrehung. Bei der Feinbearbeitung mit Mehrschneiden-Reibahlen kann bei geeigneter Werkstückgeometrie mit Werkzeugen bearbeitet werden, die nahezu keinen Spanraum besitzen. Dadurch kann die Anzahl der Schneiden und damit die realisierbare Vorschubgeschwindigkeit erheblich vergrößert werden.

In vielen Fällen wird die Produktivität eines Zerspanprozesses durch das Rattern des Werkzeugs begrenzt. Das Werkzeug und auch die Leistung der Hauptspindel würden eine höhere Produktivität (einen höheren Vorschub und/oder eine größere Zustellung) erlauben. Um die selbsterregten Schwingungen beim Rattern zu vermeiden, müssen jedoch Vorschub und Zustellung begrenzt werden. In solchen Fällen kann die Produktivität erheblich gesteigert werden, wenn die Ratterneigung des Werkzeugs vermindert wird.

Geringere Ratterneigung führt zu höherem Zeitspanvolumen

Zwei Beispiele für in dieser Hinsicht optimierte Werkzeuge zeigt Bild 6. Rechts ist ein Werkzeug dargestellt, dessen Schneiden unterschiedliche Drallwinkel aufweisen. Dadurch werden die einzelnen Frequenzen weniger angeregt, was zu einer geringeren Ratterneigung und zu einem höheren Zeitspanvolumen führt.

Auf der linken Seite von Bild 6 ist die Werkzeuggeometrie von speziellen Hochvorschubfräsern im Vergleich zu konventionellen Torusfräsern skizziert. Diese Werkzeuge werden vielfach im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt. Die Hochvorschubfräser werden mit recht kleinen axialen Zustellungen und sehr großen Vorschüben gefahren, wobei die Eingriffwinkel dieser Werkzeuge sehr klein sind. Dadurch ist die Radialkraft auf das Werkzeug relativ gering und die Axialkraft größer. Das Werkzeug ist in axialer Richtung sehr steif, sodass die höhere Axialkraft unproblematisch ist. In radialer Richtung ist das Werkzeug vergleichsweise nachgiebig. Der kleinere, radiale Anteil der Gesamtkraft in Verbindung mit dem kleinen Einstellwinkel führt zu sehr großen Vorschüben und einem deutlich größeren Zeitspanvolumen im Vergleich zu Torusfräsern und zylindrischen Fräsern.

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