Werkzeug- und Formenbau Werkstücke magnetisch spannen und HPC-Fräsen

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Was dabei herauskommt, wenn sich Schunk, Horn und Open Mind an einem anspruchsvollen Bauteil für den Werkzeug & Formenbau austoben? Verschiedene Ansätze zur wirtschaftlichen Bearbeitung.

Ein Projekt, entwickelt für ein Online-Seminar, zeigt das Knowhow und die erfolgreiche Zusammenarbeit. Mit an Bord waren der Spannmittel-Spezialist Schunk, die Programmierprofis von Open Mind sowie die Werkzeugfachleute von Horn. Neue Ansätze trafen dabei auf bewährte Technologien. Von der deformationsfreien magnetischen Werkstückspannung mit mobilen Polverlängerungen über neue HPC-Fräswerkzeuge für hohe Zeit-/Spanvolumen bis hin zur wirtschaftlichen Programmierung. Das Seminar war nicht nur für Anwender im Werkzeug-, Modell- und Formenbau interessant. Die Themen spielen auch für andere Bereiche der Zerspanung eine große Rolle.

„Als mich Uwe Weil von Schunk anrief und mir die Idee für das Projekt schilderte, weckte dies sofort mein Interesse. Kurz darauf sagte ich zu“, erzählt der Horn-Produktmanager Andreas Jenter. Sein Spezialgebiet ist bei Horn das Fräsen mit Vollhartmetall-Werkzeugen. „Auch Clemens Bangert von dem CAD/CAM-Hersteller Open Mind hat sofort für das Projekt zugesagt. Der Hyper-Mill-Experte entwickelte und programmierte das 3D-Modell der anspruchsvollen Form“, erzählt Uwe Weil, verantwortlich für Produktschulungen und Technologietrainings bei Schunk.

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Magnetische Werkstückspannung

In der Masse bekannt für Flachschleifmaschinen, aber auch beim Fräsen findet die Magnetspanntechnik ihren Einsatz.

Die Magnetspannplatte ist mittels einer Aluminium-Grundplatte und entsprechend angeordneten Nullpunkt-Spannbolzen mit dem Schunk-Nullpunkt-Spannsystem auf dem Maschinentisch verbunden. Die magnetische Spannung des Rohteils ist deformationsfrei. Dies gelingt zum einen über fixe Polverlängerungen zur Höhenpositionierung des Werkstücks und zum anderen über mobile Polverlängerungen.

Die mobilen Polverlängerungen passen sich dabei an die Unebenheiten der Oberfläche des Bauteils an. Somit wird das Rohteil beim Spannen nicht verzogen. Nach dem Planfräsen der Außenmaße wird das Werkstück auf feste Polverlängerungen gespannt. „Die Feldlinienhöhe, also die Eindringtiefe des Magnetfeldes ins Bauteil, beträgt bei maximaler Magnetstufe rund 10 Millimeter. Ein Vorbehalt der Magnetspanntechnik ist beispielsweise, dass die Werkstücke nach dem Spannen selbst magnetisch sind. Dem ist aber nicht so. Durch die geringe Eindringtiefe des Magnetfeldes haben wir auch beim Fräsen der tiefen Form keine Probleme mit anhaftenden Spänen auf der Oberfläche“, erklärt Weil.

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Die kostengünstige Alternative zur Neuanschaffung

Jenter setzt für das Planfräsen der Außenseiten das Horn-Hochvorschubfrässystem DAH84 ein. „Die acht nutzbaren Schneiden der Wendeschneidplatte bieten einen günstigen Schneidenpreis und eine hohe Wirtschaftlichkeit. Die positive Schneidengeometrie sorgt trotz der negativen Einbaulage für einen weichen und ruhigen Schnitt sowie für einen guten Spanabfluss“, beschreibt Jenter. Der große Radius an der Hauptschneide der Wendeschneidplatte erzeugt einen weichen Schnitt, sichert eine gleichmäßige Aufteilung der Schnittkräfte und sorgt damit für lange Standzeiten. Zum Schlichten der Flächen kam das Tangential-Frässystem des Typs 409 zum Einsatz.

Für die Schruppbearbeitung nutzte Clemens Bangert eine Funktion aus dem Performance-Paket Hyper Mill Maxx Machining. „Um die Bearbeitung dynamisch und gleichzeitig effizient zu gestalten, setzte ich auf das 3D-optimierte Schruppen. Die Zerspanung erfolgt dabei in trochoidalen Werkzeugbahnen und der Fräser taucht über eine helikale Rampe in das Bauteil ein. Besonders wichtig ist, dass wir beim Eintauchen eine separate Drehzahl, die Schnittgeschwindigkeit sowie eine Verweilzeit nach dem Eintauchen programmieren können. So ist während der ganzen Bearbeitung ein stabiler Prozess gewährleistet“, führt Bangert aus.

Die Verweilzeit ist notwendig, um der Spindel ausreichend Zeit zu geben, die richtige Drehzahl zu erreichen, damit das Auffräsen der Form in trochoidalen Bewegungen starten kann. Die Schruppbearbeitung der Form erfolgt soweit wie möglich in einer Helixbewegung. „Somit ist sichergestellt, dass das Werkzeug ohne Rückzugsbewegungen immer sanft schneidend im Gleichlauf und nie im Vollschnitt im Eingriff ist“, so Bangert.

HPC-Fräser mit hohem Zeitspanvolumen

Zum Schruppen der Innenform setzt Jenter auf die Horn-VHM-Schaftfräser des Systems DS. „Wir haben speziell für das Fräsen von hochfesten Stählen mit hohem Zeitspanvolumen HPC-Fräser entwickelt“, erklärt Jenter. Insbesondere bei dynamischen Schruppbearbeitungen sowie bei klassischen Schruppzyklen spielt das System seine Stärken aus. Bei der ersten Schruppbearbeitung kommt ein HPC-Fräser mit einem Durchmesser von 12 Millimetern und vier Schneiden zum Einsatz. „Aufgrund der Kontur haben wir keinen größeren Durchmesser gewählt, um die Restmaterialbearbeitung zu reduzieren“, so Jenter. Der Eintauchwinkel beträgt 5 Grad in einer Helix beim Einfahren in das Werkstück. Die Schnitttiefe liegt bei a_p = 20 Millimeter. Die weiteren Schnittdaten betragen v_c = 140 Meter pro Minute, f_z = 0,08 und die seitliche Zustellung a_e = 3 Millimeter. Die ungleichen Drallwinkel und die dadurch resultierende ungleiche Zahnteilung ermöglichen eine hohe Laufruhe im Einsatz. Die optimierte Stirngeometrie der Werkzeuge reduziert den Schnittdruck beim Eintauchen in einer Helix oder in der Rampe. Die verbesserten Spanräume bieten im Einsatz eine hohe Prozesssicherheit in der Spanformung und in der Spanabfuhr.

Für das Schruppen der Freiformflächen kommt ein Hochvorschubfräser mit Durchmesser 12 Millimeter zum Einsatz. Die Fräser haben eine doppelte Radiusgeometrie. Dies begünstigt den Kraftfluss in axialer Richtung der Spindel und wenig radiale Kräfte. „Durch diese Geometrie lassen sich auch bei langen Werkzeugauskragungen hohe Vorschübe fahren, ohne dass Vibrationen im Werkzeug auftreten“, erklärt Jenter.

Spannschraube auf Anschlag sorgt für die optimale Rundlaufgenauigkeit

Gespannt sind die Werkzeuge zum Schruppen in Schunk-Hydro-Dehnspannfuttern. Beim Schruppen setzt Weil auf die Serie Tendo E compact. Die kurze Bauform eignet sich gut für die Bearbeitung. „Ich werde immer wieder gefragt, mit welchem Drehmoment ich das Futter anziehen muss. Bei Schunk ist das ganz einfach: Man muss nur die Spannschraube bis auf den Anschlag drehen und damit hat man die optimale Rundlaufgenauigkeit und die bestmögliche Drehmomentübertragung des Werkzeugs“, beschreibt Weil.

Zur Aufnahme der Führungsbolzen des späteren Werkzeuges müssen vier Bohrungen an den Ecken des Werkstückes gerieben werden. Zum Spannen der Reibwerkzeuge setzt Schunk auf das Hydrodehnspannfutter des Typs Tendo Zero. Über vier gegenüberliegende Torx-Schrauben am Bund des Spannfutters lässt sich der Rundlauf genau einstellen. Der Anwender kann das Reibwerkzeug an einem Voreinstellgerät messen und die finale Einstellung erfolgt dann mittels einer Messuhr direkt in der Maschine. Dies ermöglicht eine mikrometergenaue Einstellung des Rundlaufes. „Bei einer Ausspannlänge des Reibwerkzeuges von über 100 Millimetern haben wir hier einen Rundlauf von kleiner als 2 Mikrometern. Das ist schon ein sehr ordentlicher Wert“, sagt Weil.

Das Reiben der vier Bohrungen übernimmt das Reibsystem DR von Horn. Mit innerer Kühlmittelzufuhr lag die Schnittgeschwindigkeit bei v_c = 110 Meter pro Minute und einem Vorschub von 0,84 Millimeter pro Umdrehung . Der Rückzugsvorschub ist mit 4000 Meter pro Minute programmiert. „Wichtig ist, bei einer langen Auskraglänge und einer Durchgangsbohrung nicht mehr als 2 Millimeter aus der Bohrung wieder auszutreten. Sonst besteht die Gefahr des Aufschwingens des Werkzeugs.“, erklärt Jenter. Das Horn-Reibsystem ist modular aufgebaut und mit zahlreichen Schnittstellen kombinierbar. Die Wechselgenauigkeit der Schneidplatten liegt bei kleiner 4 Mikrometer. Mit Standardschneiden des Systems lassen sich Werkstoffe bis zu einer Härte von 58 HRC reiben.

„Die vier außenliegenden Gewinde haben wir mit drei seitlichen Zustellungen bearbeitet, um die Passgenauigkeit des Gewindes zu gewährleisten. Für die Bearbeitung verwendete ich die Hyper-Mill-Funktion „Gewindefräsen“. Diese berechnet automatisch den Wert der seitlichen Zustellung anhand von Werkzeug und Gewinde. Die Funktion unterstützt sowohl einschneidige wie auch mehrschneidige Werkzeuge“, so der Hyper-Mill-Experte. Der Horn-Gewindefräser des Typs DC fräste die Gewinde mit einer Schnittgeschwindigkeit von v_c = 80 Meter pro Minute und einem Vorschub von f_z = 0,02 Millimeter pro Minute. Gespannt war das Werkzeug in einem Dehnspannfutter des Typs Sino-R. Das Spannsystem basiert nicht auf Öl, sondern auf PU-Elementen. Dies ermöglicht eine hohe Schwingungsdämpfung und dadurch ein stabiles Gesamtsystem beim Gewindefräsen.

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