Bei der Herstellung von Prototypen und Kleinserien vor allem hoch beanspruchter und präziser Bauteile wird heute das Fräsen aus Vollmaterial wegen der hohen Flexibilität und kurzen Fertigungszeiten bevorzugt. Komplexe Geometrien können durch 5-achsiges Simultanverfahren des Fräswerkzeuges produziert werden. Bis jetzt war die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung solcher Bauteile aus technischen Gründen auf kleinere Fräsmaschinen mit hoher Dynamik begrenzt. Mit der Fertigung von großen Impellern für Kompressoren auf 5-Achsen-Fräsmaschinen der neuesten Generation hat Sulzer Innotec diese Grenzen der Fräsfertigung bezüglich Bauteilgröße erfolgreich verschoben.
Autor: Werner Jahnen, Sulzer Innotec
Die 5-achsige Bearbeitung bedeutet den Einsatz von 3 translatorischen und 2 rotatorischen Achsen auf einer Maschine. Beim Fräsen lässt sich so jede Position auf dem Werkstück unter beliebigem Anstellwinkel des Fräsers einstellen.
Fräsen großer Werkstücke
Große 5-Achs-Fräsbearbeitungszentren der neueren Generation haben wesentlich höhere Verfahrdynamik bei hoher Positioniergenauigkeit aller Achsen als solche älterer Generationen. Dies schließt auch Maschinen mit Dreh- Schwenk-Tisch ein, bei denen das Werkstück die rotatorischen Bewegungen ausführt. Hier kommt ein spezieller Torque-Antrieb zum Einsatz, der bei bis zu 2000 kg Tischzuladung große Antriebsdrehmomente und damit hohe Beschleunigungen ermöglicht. Gegenüber Konfigurationen mit 1 oder 2 Drehachsen in der Spindel erreicht man so ausgezeichnete Stabilität und gute Zugänglichkeit zum Werkstück bei unverminderter Dynamik.
Höchste Genauigkeit
Herkömmliche Verfahren zum Fertigen von Kompressorlaufrädern sind z.B. Gießen oder Schmieden mit anschließendem Anschweißen der Schaufeln. In den letzten Jahren hat das Fräsen der Schaufelkanäle aus – meist geschmiedetem – Vollmaterial stark an Bedeutung gewonnen.
Der Fräsprozess hat mehrere Vorteile:
- kürzere Lieferzeiten durch höhere Prozessgeschwindigkeit und fallweise kürzere Materiallieferzeiten
- geringere Kosten gegenüber Schmieden/Schweißen und bei kleiner Stückzahl auch gegenüber dem Gießen
- geringere Qualitätskosten durch geprüftes Rohmaterial und wenige Prozessschritte
- höchste Fertigungsgenauigkeit
Voraussetzung für diesen Wandel war die Entwicklung der Fräsmaschinen. Im Zuge dieser Leistungsverbesserung wird das Fräsen auch großer Durchmesser heute immer attraktiver. Beim Fräsen von Impellern werden alle translatorischen und rotatorischen Achsen simultan verfahren, um den nach Gesichtspunkten der Strömungstechnik geformten Oberflächen folgen zu können. Dieser simultane Fräsprozess bedingt permanente Beschleunigung bzw. Verzögerung aller beteiligten Achsen, was die Verfahrdynamik in den Vordergrund rückt.
Moderne Methode
Impeller können offen oder mit durch eine Deckscheibe geschlossenen Kanälen hergestellt werden. Das Gießen in verlorene Formen mit anschließendem Polieren ist eine klassische Fertigungsmethode für geschlossene Impeller. Kombinierte Methoden sind das Fräsen der offenen Kanäle und Anschweißen oder Auflöten einer Deckscheibe. Die modernste Methode zur Herstellung von geschlossenen Laufrädern ist das Fräsen der Schaufelkanäle aus einem Rohling. Hier erreicht man höchste Bauteilfestigkeiten und geringe Qualitätskosten.
Kollisionsvermeidung
Den Vorteilen einer integralen Fertigung durch Fräsen stehen hoher Programmieraufwand und geometrische Einschränkungen gegenüber. Die Kanallänge erfordert auch lange Werkzeuge. Darüber hinaus erschwert die räumliche Enge die Kollisionsvermeidung von Fräserschaft und Bauteil. Dies stellt hohe Anforderungen an die Programmiersoftware.
Patentwürdiges Verfahren
Bei modernen Fräswerkzeugen wird der Fluss der Fräskräfte vorwiegend axial statt quer durch den Fräser geleitet. Beim Fahren mit optimalem Anstellwinkel und Vorschub kann sich das Werkzeug so selbst stabilisieren. Sulzer Innotec hat ein Verfahren entwickelt und zum Patent angemeldet, das Fräserbahnen nach diesen Kriterien generiert und dabei Kollisionsfreiheit sicherstellt.
Das Sulzer-Innotec-Verfahren arbeitet mit kleinen Tiefenzustellungen aber sehr hohen Vorschüben. In der Enge des Kanals bedeutet das schnell aufeinander folgende Richtungsänderungen und entsprechende Achsbeschleunigungen. Wirtschaftlich sehr interessante Ergebnisse können deshalb gerade durch die hohe Dynamik moderner großer Fräsmaschinen erzielt werden.
Fertigung eines gedeckten Impellers
In enger Zusammenarbeit mit dem Werkzeughersteller Hermle wendete Sulzer Innotec die neue Frässtrategie bei der Fertigung eines großen gedeckten Impellers für einen Industriegasverdichter an. Typischerweise weist auch diese Geometrie Hinterschnitte im Bereich der Deckscheibe und im Eintrittsbereich der Druckseite auf. Nach der Berechnung der Fräsbahnen werden sämtliche NC-Daten zuerst auf dem PC visualisiert.
Der Drehrohling aus rostfreiem Stahl hat einen Durchmesser von 929 mm und eine Masse von rund 1200 kg. Die Erfahrung zeigte, dass der 5-achsige Simultanprozess auch bei großen Geometrien und Werkzeugausspannlängen bis 430 mm eine beachtliche Zerspanleistung im rostfreien Stahl erzielte.
Durch den vibrationsarmen Prozess und die kleine Tiefenzustellung konnte mit einem Schruppschlichtprozess, d.h. ohne separates Schlichten gefahren werden. Es wurden 3 verschiedene Fräsköpfe mit unterschiedlichen Schaftlängen eingesetzt, wodurch die Werkzeugverschleißkosten sehr gering gehalten werden konnten.
Zukunftsträchtiger Werkzeugpark
Auf Grund der positiven Erfahrungen hat Sulzer Innotec unlängst den Maschinenpark um eine C50U erweitert. So ist das Unternehmen zukünftig in der Lage, in der Auftragsfertigung den Bereich 5-Achsen-Fräsen großer Bauteile mit Prozessen hoher Produktivität abzudecken.
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