Komplettpaket von der Software bis zur Maschinenplattform Trochoidal-Fräsen im sehr großen Stil

Komplettpaket von der Software bis zur Maschinenplattform

Trochoidal-Fräsen im sehr großen Stil

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Weingärtner Maschinenbau bringt das Trochoidal-Fräsen als „Complete Solution“ für das Nutenfräsen von sogenannten „Tannenbaum Nuten“ auf seine Multi-Task Maschinen. Autor: Dipl. Ing. Thomas Exenberger, Weingärtner

Unter „Complete Solution“ versteht man bei Weingärtner Maschinenbau Applikationslösungen, „all inclusive“ von der Werkzeugempfehlung, über das passende Software-Modul bis zur innovativen Bearbeitungseinheit auf der passenden Maschinenplattform, komplett eben. Zur Anwendung kommen diese innovativen Frässtrategien auf großen Rotoren für Gas- und Dampfturbinen.

Drei gute Gründe für das Trochoidalfräsen

Wirbelfräsen, Taumelfräsen, Wave Milling, Zirkularnutfräsen, Werkzeughersteller überschlagen sich mit Erfolgsmeldungen ihrer neuen Produktgenerationen für das Trochoidal-Fräsen. Denn die Begeisterung hat einen guten Grund, oder besser drei, Einsparung bei der Bearbeitungszeit von über 50 %, höhere Standzeiten der Werkzeuge um den Faktor 10, und fast jedes Material ist bearbeitbar, auch sehr schwierige wie Nickellegierungen, Titan, Aluminium oder gehärtete Stähle.

Dabei ist Trochoidal-Fräsen nicht gerade neu. Das dynamische Fräsverfahren kennt man bereits seit vielen Jahren. Doch was bisher an den Fertigungsbedingungen gescheitert ist, wird mit den neuen Maschinengenerationen möglich. Und wieder haben wir drei Erfolgsfaktoren, die diesem Fräsverfahren endgültig zum Durchbruch verholfen haben.

Rechnerleistung, CAD/CAM-System und Fräswerkzeug

Zum ersten wäre da die erhöhte Rechnerleistung auf modernen Bearbeitungszentren zu nennen. Denn Trochoidal-Fräsen verläuft auf komplexeren Bearbeitungsbahnen als das klassische Schruppfräsen.

Und um diese zu berechnen, braucht man sehr viel Rechnerkapazität, mehr als in der Vergangenheit auf den gängigen Maschinenplattformen zur Verfügung gestanden ist.

Komplexe Bearbeitungsbahnen auf Werkzeugmaschinen benötigen zusätzlich intelligente Software, die sie steuert. Leistungsfähige CAD/CAM-Systeme der neuesten Generation erlauben heute sogar eine Offline-Programmierung dieser komplexen Bearbeitungsbahnen und sind noch dazu auf bestehenden Maschinensystemen nachrüstbar.

Der dritte Erfolgsfaktor im Comeback des modernen Trochoidal-Fräsens ist das Fräswerkzeug selbst. Beim Trochoidal-Fräsen taucht das Fräswerkzeug komplett in das Werkstück ein. Deswegen sind die Schneiden beim Trochoidal-Fräswerkzeug an der ganzen Schaftlänge des Werkzeuges angeordnet und nicht nur an der Spitze. Hohe Radialkräfte auf das Werkzeug erfordern eine stabile Kerngeometrie. Der Hartmetalleinsatz im Fräser und die Oberflächenbeschichtung des Schneideinsatzes müssen sehr temperaturschockbeständig sein, um Haarrisse und Schneidbrüche zu vermeiden.

Gibt es auch Nachteile?

Wo liegen die Schwachpunkte des Trochoidal-Fräsens? Gibt es Limits, die zu beachten sind, Grenzen der Physik oder schlicht und einfach die Kehrseite der Medaille?

Die Trochoidal-Fräswerkzeuge sind meistens teurer als herkömmliche Fräswerkzeuge und auch das Aufrüsten auf eine neue CAD/CAM-Software kostet in der Regel Geld. Aber diese Mehrkosten lassen sich meistens durch die Einsparungen bei Bearbeitungszeit und Werkzeugstandzeit kompensieren.

Die Grenzen des Trochoidal-Fräsens findet man in der Anwendung, also im Werkstück, das gefräst werden soll, und in Folge im Maschinenkonzept, das bei der Bearbeitung zum Einsatz kommt.

Wie funktioniert es und wo wird es eingesetzt?

Dazu muss man zuerst verstehen, wie Trochoidal-Fräsen funktioniert.

Bei diesem Fräsverfahren bewegt sich der Fräser nicht hin und her wie bisher, sondern eher im Kreis. Genauer gesagt, bewegt sich der Fräser auf ellipsenähnlichen Bahnen, die sich in der Vorwärtsbewegung überlagern.

Dadurch wird der Eingriffswinkel der Schneidkante konstant gehalten, so dass der Fräser immer mit gleichbleibender Kraft und Geschwindigkeit durch das Material fahren kann. Das Resultat sind hohe Vorschubgeschwindigkeiten ohne Abbremsen bei Konturwechsel.

Deswegen macht dieses dynamische Bearbeitungsverfahren beim Fräsen von Konturen Sinn, zum Beispiel bei Nuten. Für große plane Flächen eignet sich eher das klassische Schruppverfahren mit parallelen Fräsbahnen.

Des Weiteren sollte die Werkzeugmaschine, auf der man Trochoidal-Fräsen anwendet, eine entsprechend hohe Achs-Dynamik besitzen. Ansonsten verliert man die Einsparung von Bearbeitungszeit auf den beim Trochoidal-Fräsen längeren Verfahrwegen.

Trochoidal-Fräsen kann also auf Maschinenkonzepten angewendet werden, die Frässpindeln sehr schnell bewegen können. Bei relativ übersichtlichen Werkstückgrößen auf kleineren bis mittleren Bearbeitungszentren ist das Trochoidal-Fräsen von Nuten also sinnvoll und unproblematisch.

Anders verhält es sich aber bei der Fertigung von großen Werkstücken auf großen Fräs- und Drehzentren. Eine solche Applikation ist zum Beispiel das Fräsen von sogenannten Tannenbaum-Nuten auf Rotoren von Dampf- und Gasturbinen. Ein Fahrständer eines großen Fräs- und Drehzentrums kann bis zu zwei Meter Höhe haben und bis zu 20 Tonnen Gewicht wiegen. Solche Massen auf eine hochdynamische zyklische Bearbeitungsbahn zu schicken, würde sehr schnell zum kompletten Verschleiß und Ausfall von Lagern und bewegten Teilen führen.

Hier setzt die jüngste Produktentwicklung von Weingärtner Maschinenbau an, die Trochoidal-Fräseinheit TMU 400. Konzipiert für die Maschinenplattform mpmc, ebenfalls von Weingärtner Maschinenbau, kann diese Fräseinheit wie jede andere Bearbeitungseinheit auf der mpmc automatisch von einer maschinenintegrierten Pick-Up-Station bei Bedarf eingewechselt werden.

Trochoidal-Fräseinheit automatisch
einwechseln

Einmal auf der Schnittstelle des Fahrständers angedockt, wird die Trochoidal-Fräseinheit TMU 400 zur Bearbeitung am Werkstück positioniert. Der massive Fahrständer des Fräs- Drehzentrums mpmc startet dann seine relativ langsame Vorwärtsbewegung, während die Frässpindel der TMU 400 in der Fräseinheit selbst eine hoch dynamische zyklische Bewegung durchführt.

Entkoppelt von der Vorschubbewegung des Fahrständers, kann so die Fräseinheit TMU 400 im Trochoidalfräs-Modus die Tannenbaum-Nuten auf den Generatorwellen von Dampf- und Gasturbinen fräsen, ohne nennenswerten Verschleiß von Lagern und bewegten Teilen in der Einheit zu verursachen, werkzeugschonend und effizient.

So macht Weingärtner Maschinenbau die Trochoidal-Frässtrategie auch für Werkstücke mit großen Abmessungen für die Bearbeitung auf Fräs- und Drehzentren zugänglich, mit all den bereits genannten Vorteilen dieses Bearbeitungsverfahrens.

Universeller Makro-Zyklus

Die Anschaffung oder das Upgrade auf eine neue CAD/CAM-Software entfällt bei den modernen Fräs- Drehzentren von Weingärtner Maschinenbau. Als „Complete Solution“ Werkzeugmaschinenhersteller hat man einen universellen Makro-Zyklus entwickelt, mit dem die Achsansteuerung sehr simpel programmiert bzw. parametrisiert werden kann, unabhängig vom Programmierplatz, nicht länger als zwei Programmzeilen in der Steuerung.

Ein typischer Anwendungsfall für Nutenfräsen auf Generatorwellen oder -rotoren ist zum Beispiel eine 30 mm breite, 65 mm tiefe und 120 mm lange Nut in hochlegiertem Stahl. Die Bearbeitungszeit dieser Nut mit der Trochoidal-Fräseinheit TMU 400 auf einer Multi-Task-Maschine mpmc von Weingärtner Maschinenbau ist prozesssicher unter 30 Sekunden möglich. Das entspricht einer Einsparung bei der Bearbeitungszeit von über 50 %.

Auch bei den Standzeiten der Fräswerkzeuge auf der neuen Fräseinheit TMU 400 werden die Erwartungen an das Trochoidal-Fräsen erfüllt. Hier werden speziell für das Fräsen von Tannenbaumnuten ausgelegt Werkzeuge eingesetzt, entwickelt in Zusammenarbeit mit langjährigen Partnern aus der Werkzeugindustrie. Das Resultat: höhere Standzeiten um den Faktor 10.

Alleinstellungsmerkmal im Markt

Weingärtner Maschinenbau ist derzeit der einzige Hersteller von Fräs-Drehmaschinen, der seinen Kunden die Bearbeitung von großdimensionierten Werkstücken mit Trochoidalfräs-Strategie anbieten kann.

Im Zusammenspiel von innovativen Bearbeitungseinheiten auf stabilen Fräs-Drehzentren können Generatorwellen und Rotoren von Dampf- und Gasturbinen in jeder gewünschten Dimension bis zu einem Maximalgewicht von 80 Tonnen effizient und präzise bearbeitet werden. Umfassende Bearbeitungslösungen in Kombination mit maßgeschneidertem Software- und Werkzeugengineering, das versteht man bei Weingärtner Maschinenbau unter „Complete Solutions for Energy Industry“.

Weingärtner Maschinenbau GmbH
www.weingartner.com
AMB Halle 6 Stand B52



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