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Wirtschaftliches Fräsen

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Wirtschaftliches Fräsen

Optimierung und Verbesserung von Fräsoperationen werden durch die Gestaltung der Werkzeuge und der Schneidplatten, der Schnittstelle zur Maschine und die Auswahl der Schneidstoffe erzielt. Für wirtschaftliches Fräsen, hohe Leistungen und optimale Zerspanungbedingungen muss jeder einzelne Bestandteil des Fräsprozesses für sich betrachtet und optimiert werden.

Autoren: Prof. Dr. R. Wertheim, Iscar Ltd., Tefen Israel Kurt Brenner, und Martin Wolff, Iscar Hartmetall GmbH

Die optimale Schneidplattengeometrie, die Anzahl der Schneidkanten und deren Ausführung, der Spanwinkel und der Freiwinkel können die Zerspanungsleistung erheblich verbessern. In der Vergangenheit wurden nur einfache Schneidplatten mit flachen, glatten Spanflächen und geraden Scheiden eingesetzt.
Entwicklung von wendel- förmigen Schneidkanten
Die rhombische ADKT – Fräsplatte hat wendelförmige Schneidkanten sowie zueinander nicht parallele Span- und Auflageflächen (Bild 1). Die wendelförmige Schneidengeometrie ist das Ergebnis einer Kreuzung der Abwicklungslinie und einer Ebene, die die Schneidkante ergibt. Diese einzigartige Ausführung garantiert ebene Flächen beim Schulter-, Nuten- und Planfräsen, verbessert die Späneabfuhr, eliminiert Vibrationen, reduziert die Schnittkräfte sowie die Belastung an den Ein- und Austrittspositionen. Beim Einsatz von Werkzeugen mit wendelförmigen Schneiden, weisen die Schneiden bei zunehmendem Eindringen in den Werkstoff einen ansteigenden Kräfteverlauf auf. Weiterhin führen die geneigten Flächen der Schneidplatten mit grösserer Dicke am Stirnende zur Verstärkung der Fräskörper und ermöglichen grössere Spantiefen und Vorschübe. Das Konzept der wendelförmigen Schneide, mit nicht parallelen Flächen ermöglicht zudem einen stabileren Fräskörper und höhere Steifigkeit.
Mitte der 90er Jahre wurde eine neue Familie von quadratischen Schneidplatten mit wendelförmiger Schneidengeometrie entwickelt. Diese quadratischen SPMT-, SDMT- und QDMT- Schneidplattengeometrien kombinieren die Wendelschneide mit einer zusätzlichen Planfase an allen vier Ecken für 90° Schulterfräsoperationen und eine Spanfläche, die sich verjüngend neigt oder erhebend zu den Planfasen hin. Nur durch diese Art der Ausführung ist die 90° -Winkligkeit bei hoher Oberflächengüte und günstigen Schnittbedingungen gewährleistet. Diese Schneidplatten mit vier helixförmigen Schneidkanten können auf Planfräser, T-Nutenfräser und Nutenfräser, Schaftfräser und Fräser für die Schwerzerspanung eingebaut werden. Die Schneideinsätze haben verstärkte Ecken, die jeweils eine Planfase für Rechts- und Linkslauf aufweisen.
Oktagonale Schneidplatten zum Vorschlichten und Schlichten
Achteckige Schneidplatten (Bild 2) bieten acht Schneiden für höhere Wirtschaftlichkeit beim Plan-, Schulter- und Taschenfräsen sowie auch bei Anfasoperationen. Schneidplatten, die Abwicklungsschneidkanten [A], einen großen Axialwinkel und gerippte Spanflächen [B] kombinieren, bieten ein ausbalanciertes, stabiles Werkzeug mit hoher Leistung beim Vorschlichten und Schlichten. Die spezielle Ausführung der in Einbaulage hervorstehenden Planfase [C] an jeder der acht Schneidenecken bietet gleichzeitig eine hohe Oberflächengüte. Die Pfeile [D] auf der Spanfläche weisen auf die zu beachtende Drehrichtung beim wechseln der Schneidkante hin, um den maximalen Nutzen aller acht Schneidkanten zu gewährleisten. Die Spanfläche ist mit einer Reihe von gegenläufigen Vertiefungen [A] versehen, die die Kontaktfläche zwischen dem Span und der Schneidplatte reduzieren und somit auch die Wärmeeinleitung, was sich wiederum in entsprechend längerer Standzeit niederschlägt. Die Wendelschneidengeometrie und die allgemein dünnere Schneidplatte, zusammen mit der Schraubenklemmung, ermöglichen eine stärkere Ausführung des Fräserkörpers und erlauben zudem eine engere Teilung des Fräsers mit mehr Schneidplatten auf dem gleichen Fräskörper. In diesen kann sowohl die achteckige als auch eine runde Schneidplatte in ein und denselben Plattensitz eingebaut werden.
Für noch höhere Wirtschaftlichkeit, z.B. beim Fräsen von Motorblöcken, Zylinderköpfen und großen Flächen allgemein, wurden neue doppelseitige, achteckige Schneidplatten mit insgesamt 16 Schneidkanten entwickelt. Bild 3 zeigt eine solche 16-schneidige Schneidplatte mit prismenartigen Freiflächen und positiven Spanwinkeln die gerade bei der Bearbeitung von Grauguss hocheffizient ist. Diese Platten werden mit einer einzigen Torxschraube im Plattensitz eingebaut, positioniert und geklemmt. Jede Schneidkante verläuft in einer Abwicklungskurve für eine maximale Schnittiefe von 5mm und positiven Spanwinkeln, wodurch die Schnittkräfte erheblich reduziert werden. Alle Wendeschneidplatten sind für optimalen Plan- und Rundlauf und für beste Oberflächengüte am Umfang geschliffen. Um diese hohe Genauigkeit zu erreichen, wurde der F45N-Fräskörper für diese AUTO2000-Wendeschneidplatten zweiteilig konstruiert. Der erste Teil ist der Fräsergrundörper mit geschliffener Planfläche und der zweite ist ein dazu korrespondierender Ring, in dem diese einzigartigen Schneidplatten geklemmt werden.
Hohe Oberflächengüte beim Fräsen
Bei Schlichtfräsoperationen ist eine der wichtigsten Anforderungen die Oberflächengüte der bearbeiteten Fläche. Diese resultiert aus der Planfase, also dem stirnseitigen Teil der Schneide, und der Ausführung der Schneidenecke in Kombination mit den Schnittbedingungen. Zur Verbeserung der Oberflächengüte, wurde der bereits bekannten Reihe achteckiger Schneidplatten eine einseitige geschliffene Breitschlichtplatte hinzugefügt. Auf dem in Bild 3 gezeigten F45N-Fräser mit 16-eckigen Schneidplatten für Schlichtanwendungen ist eine der Schneidplatten eine Breitschlichtplatte.
Normalerweise ist eine einzige Breitschlichtplatte absolut ausreichend, um eine hohe Oberflächengüte zu erreichen wie in dem Diagramm in Bild 4 dargestellt. Beim Fräsen von legiertem Stahl mit einem Fräser von 80mm Durchmesser mit fünf Schneidplatten – davon eine Breitschlichtplatte – wurde bei einem Zahnvorschub von f=0.25mm eine Rauhtiefe von Ra= 0.5µm [Rcla] erreicht. Beim Einsatz des gleichen Fräsers unter identischen Schnittbedingungen wurde ohne die Breitschlichtplatte ein Wert von Ra=1.5µm gemessen. Auf der anderen Seite bringt der Einbau von zwei Breitschlichtplatten keine weiteren Vorteile, da die Werte der Oberflächengüte ähnliche Werte liefern, wie das Ergebnis, das bereits mit einer einzigen erreicht wurde. Diese hohe, erreichbare Oberflächengüte kann sogar Schleifoperationen oder andere Schlichtoperationen einsparen.
Werkzeuge für die Schwerzerspanung
Höhere Zerspanungsraten können durch grössere Schnitt-Tiefen, höhere Vorschübe oder durch höhere Schnittgeschwindigkeiten erreicht werden. Bei normalen Fräsanwendungen ist die Anwendung sehr hoher Schnittgeschwindigkeiten durch sinkende Standzeiten eingeschränkt. Die beste Option für höhere Zerspanungsraten, bei einer gegebenen Schnitt-Tiefe ist die Anwendung höherer Vorschübe.
Kürzlich erfolgte Analysen im Bereich der Schwerzerspanung haben zur Entwicklung des MILL2000 Werkzeugsystems mit hochstabilen Wendeschneidkanten geführt. Die Schneidplatten haben über die gesamte Plattenlänge eine schwalbenschwanzähnliche Form. Dadurch und durch die Klemmschraube sicher wird die Platte sicher auf dem Fräskörper positioniert und geklemmt. Diese Form verbessert die Schneidplattenstabilität im Plattensitz selbst bei hohen Belastungen, Vorschub und Schnitt-Tiefe. Um einen Freiwinkel zu bekommen sind die Schneidplatten über der Fräsermitte eingebaut. Dadurch wird eine Verbesserung der Stabilität und Steifigkeit des Fräserkörpers erreicht, die einen bis zu 50% höheren Vorschub gegenüber herkömmlichen Fräserausführungen erlaubt.
Neue Ausführungen von Kopierfräsern
Die Entwicklung von Schaftfräsern ist charakterisiert durch die Einführung neuer Schneidstoffe, neuer Geometrien, neuer Klemmsysteme und dem Einsatz von Simulationsmodellen und Ermittlungsmethoden wie FEA (Bild 5). Bei der Gestaltung von Schneidplatten und Werkzeugen kleiner Durchmesser können positive oder negative Schneidplatten Einsatz finden. Positive Schneidplatten sind normalerweise schwächer und reduzieren zudem die Werkzeugstabilität, haben aber den Vorteil bei der Schlicht- und Vorschlichtbearbeitung. Durch Anwendung einer negativen Schneidplattenkonfiguration mit wendelförmiger Schneidkante, die über der Fräsermitte eingebaut ist, wird ein größerer Schneidplattenquerschnitt und einen stabilerer Fräserkörper mit hoher Gebrauchsleistung möglich.
Vollhartmetall Schaftfräser
Die Entwicklung von zäheren und härteren Ultrafeinkorn-Hartmetallsubstraten ist der Hauptgrund für die Ablösung von HSS-Fräsern durch Vollhartmetallfräser. Der Einsatz von TiAlN-Beschichteten Ultrafeinkorn-[IC900] Werkzeugen bringt hervorragende Resultate im Vergleich zu HSS-Werkzeugen beispielsweise bei der Bearbeitung von Taschen mit einem 10mm-Fräser. Hier wurden die Bearbeitungskosten pro Stück mit den neuen Fräsern um ca. 60% reduziert.
Neue Technologien mittels Tauchfräsen
Vor kurzem ist auch ein neues Konzept von Tauchfräsern vorgestellt worden, die speziell angepasst wurden für die Schruppanforderungen bei der Bearbeitung von großen Auskammerungen, Formen und hohen Schultern. Diese Plunger sind sehr effektiv und wirtschaftlich bei sehr tiefen Nutenhöhen, geraden oder geneigten Wandungen und wenn große Auskraglängen erforderlich sind.
– mav 204
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