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Praxisgerechtes HSC- und Hartfräsen

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Neue Maschinenkonzepte bieten inzwischen die Voraussetzungen für einen Einsatz der HSC-Fräs- und -Bohrtechnologie. Anwenderforderungen nach verstärkter Universalität und Flexibilität im Maschineneinsatz können aber nicht mit speziell für die HSC-Bearbeitung ausgeführten Maschinen erfüllt werden. Wie man bei überschaubarem Aufwand Maschinenkonzepte verwirklichen kann, die den Universalcharakter der Maschine im Einsatz durch ergänzende HSC-Module erweitern, kann an Ergebnissen aus der Fertigungspraxis nachgewiesen werden.

Autor: Hans-Peter Schossig

Das Spektrum der Maschinenausführung reicht dabei von einer in die Hauptspindel nach Programmaufruf einwechselbaren HSC-Spindel über drei manuell auswählbare Frässpindeln an einer Maschine bis hin zur automatisch von der Vertikal- zur Horizontalposition schwenkenden HSC-Spindel als integrierte Lösung.
Trendwende in der Bohr- und Frästechnologie
Das Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSC) wird inzwischen sowohl im Werkzeug- und Formenbau als auch in der Produktion für Serienteile eingesetzt. Die Vorteile der HSC-Bearbeitung in der heutigen Zerspanpraxis gewinnen ständig an Gewicht.
Häufig werden speziell und damit einseitig für HSC-Bearbeitung ausgeführte Maschinen benutzt.
Moderne Maschinenkonzepte für einen breiten Anwenderkreis müssen aber neben dem sogenannten „reinen“ HSC-Fräsen und -Bohren auch Bearbeitungen mit höheren Drehmomenten zulassen.
Aus der Sicht des Praktikers verdeutlicht Bild 1 die beim Bohren und Fräsen möglichen HSC-Schnittgeschwindigkeiten bzw. Vorschübe im Zusammenhang mit den zu fräsenden Werkstoffen gehärteter Stahl bis zu verschiedenen NE-Metallen und den Fräserdurchmessern. Die Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe liegen bei der HSC-Bearbeitung um das ca. 5 bis 10 über den gegenwärtigen „Standard-Werten“. Wichtig für eine HSC-Bearbeitung sind die notwendigen Hauptspindel-Drehzahlen im Bereich zwischen 12 000 und 50 000 U/min in Abhängigkeit der Werkzeugdurchmesser. Solche vor wenigen Jahren unvorstellbare Drehzahl-Werte werden heute für den Dauerbetrieb der Maschinen gefordert.
Bild 2 zeigt eine mit HSC-Parametern bearbeitete Schmiede-Gesenkform für Rohrfittinge, die wahlweise auf einem Vertikalbearbeitungszentrum oder auf einer entsprechend ausgestatteten Universalmaschine ausgeführt werden kann (Maschinen Bild 4 bzw. Bild 6).
Eine erfolgreiche HSC-Anwendung verlangt zusätzlich ein dazu passendes Umfeld: Die Teilsysteme-Programmierung mit dem Datenfluß zur Maschine, Werkzeuge und Maschinen-Steuerung sind in die HSC-Technologie mit einzubeziehen. Die Teilsystem-Maschine und Steuerung sind dabei besonders wichtig.
Wenn man nicht weiß, was morgen für Aufträge kommen
Immer mehr Anwender aus dem Werkzeug- und Formenbau sowie Zulieferer und Lohnfertiger wissen im Gegensatz zu Großserienfertigern gegenwärtig nicht genau, was morgen und übermorgen an Aufträgen an sie herangetragen wird. Also müssen die notwendigen Maschinen nicht nur produktiv, sondern vorrangig universell und flexibel einsetzbar sein. Die Vorteile der 5-Seiten und 5-Achsen-Fräsbearbeitung von Werkstücken in einer Aufspannung müssen vorrangig genutzt werden, Komplettbearbeitung bei hoher Werkstück-Genauigkeit ist gefragt.
Die HSC-fähige Universalmaschinen müssen also technologische Nebenzeiten von Bearbeitungszentren aufweisen und im überschaubaren Investitions-Rahmen bleiben. Die hohen Maschinen-Qualitäten sind auf Dauer verfügbar zu halten, für entsprechend ausgestattete Vertikal-Bearbeitungszentren gelten gleiche Anforderungen.
Modulare Universalmaschi- nen-Konzepte für das Kom- plett- und HSC-Fräsen
Gegenwärtig verfügen moderne Standard-Universalmaschinen über die für eine HSC-Bearbeitung vorausgesetzten Eigenschaften:
• Hohe statische und dynamische Steifigkeit einer völlig neu gestalteten Konsolbauweise durch geschlossenen Ständer und Kreuzsupportausführung mit optimierter Lastverteilung.
• Einsatz spielfreier Linearführungen mit überbreiten Abständen und vorgespannte Kugelrollspindeln in den Vorschubantrieben. Im Zusammenhang mit gekapselten direkten Meßsystemen außerhalb des Arbeitsraumes ergibt sich eine hohe Positioniergenauigkeit und Konturtreue beim 3D-Fräsen.
• Vorschubachsen und Hauptantrieb verfügen über digitale Antriebstechnik. Eine horizontale Hauptspindel ist im Spindelstock integriert, der Vertikalfräskopf läßt sich manuell nach oben wegschwenken, siehe Bild 4 links.
• Optionen, wie z.B. NC-Tisch als vollwertige 4. NC-Achse oder Werkzeugwechsler mit Doppelgreifer und 25 Magazinplätzen bei Wechselzeiten von 9 s in der Größenordnung von Bearbeitungszentren.
• Moderne Steuerungen mit „Look-ahead“-Funktion, NC-Satzverarbeitungszeiten von ca. 3 bis 4 ms und Speicherkapazitäten von 0,5 bis 1 Gigabyte.
Automatisch einwechsel- bare HSC-Spindel
Die eigentliche HSC-Spindel mit Drehzahlen bis 50 000 U/min für gewuchtete Werkzeuge bis 10 mm Spanndurchmesser wird in einer ersten Ausbaustufe vollautomatisch aus dem Werkzeugmagazin in die Vertikalspindel eingewechselt. Alle Versorgungsleitungen einschließlich Spindelkühlung und Sperrluft werden über eine spezielle Medienkupplung automatisch angeschlossen.
Verschieden große Standardmaschinen aus einer Baureihe können mit diesem Einwechselkonzept HSC-Bearbeitungen durchführen. Ein Produktivitätsgewinn ist durch die sekundenschnelle Umrüstung der leistungs- und drehmomentenstarken Grundmaschine (bis 16 KW bei 524 Nm) auf HSC-Bearbeitung ohne Werkstück-Umspannen gegeben. Das Leistungsangebot der einwechselbaren HSC-Spindel ist auf knapp 2 kW begrenzt. Dadurch sind HSC-Spindeleinsätze vor allem bei der Anfertigung kleinerer Formen sinnvoll, was zur Einsparung kompletter Erodiertechnologien führen kann.
Automatisch einwechsel- barer HSC-Frässpindelkopf
Die nächste Ausbaustufe ist das wahlweise Einwechseln eines leistungsfähigen, kompletten HSC-Frässpindelkopfes mit z.B. 20 kW Leistung in den Arbeitsraum der Maschine. Der HSC-Fräskopf kann Spezial-Werkzeuge bis 40 mm Durchmesser mit HSK 50-Aufnahmen nach DIN 69 893 spannen und erreicht Drehzahlen bis 30 000 U/min. Außerdem ist ein für die meisten HSC- oder Hartfräsarbeiten ausreichendes Drehmoment von 16 Nm bis 12 000 U/min vorhanden.
Drei Arbeitsspindeln zur Wahl
Das Standard-Maschinenkonzept ist insofern erweitert worden, daß dem Anwender nun drei verschiedene Arbeitsspindeln zur Auswahl stehen, Bild 4. Die zwei bereits erwähnten Standard-Vertikal- und Horizontalspindeln für Leistungen bis 16 kW und bis 524 Nm sind in der Grundmaschine vorhanden. Der hintere, seitliche Kabinenraum wird durch eine mit einer für abgeschlossenen Parkposition für den hereinschwenkbaren HSC-Vertikalfräskopf genutzt, siehe Lay-out in der Draufsicht, Bild 4. Vorteil dieses „Dreispindel“-Universalmaschinenkonzeptes ist die einmalige Flexibilität, die in Verbindung mit Eilgängen und Werkzeugwechselzeiten in der Größenordnung eines Vertikalzentrums im Einsatz wirksam wird.
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