Seit den 1990er Jahren setzen metallverarbeitende Betriebe auf die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Dies führte zu tiefgreifenden Veränderungen in der Technologie und im Maschinenbau. Um den aktuellen Anforderungen an die Genauigkeit gerecht zu werden, mussten die Werkzeuge immer präziser werden. Es gilt, wiederholbare Toleranzwerte bei Zerspanungsprozessen zu erreichen. Abhängig ist dies von der Bearbeitungsmethode, also Fräsen, Drehen oder Bohren, sowie der Art der Bearbeitung, beispielsweise Schruppen, Vordrehen oder Schlichten.
Gerade bei der Bearbeitung vorgeformter Halbzeuge ist eine hohe Genauigkeit bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gefordert. Mit 3D-Druck-, Metallspritzgieß- und modernen Gießverfahren kommt die Rohteilkontur der Werkstücke ihrer endgültigen Form bereits sehr nah. Zerspaner müssen bei der weiteren Bearbeitung daher selten viel Material abtragen. Im Werkzeug- und Formenbau hat sich die HSM als echte Alternative zu herkömmlichen Methoden etabliert und die Produktionszeiten deutlich verkürzt. Auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie eignet es sich für schwer zu zerspanende, hitzebeständige Superlegierungen. Hier sind Keramikwerkzeuge mit sehr hohen Schnittgeschwindigkeiten bei gering abzutragenden Materialvolumen inzwischen üblich. Gleiches gilt für die Herstellung von Aluminiumkomponenten.
Bearbeitungsprozesse mit wenig Materialabtrag pro Arbeitsgang verbrauchen weniger Energie, es entsteht kaum Wärme und die Oberflächengüte steigt. In der Regel setzen Anwender rotierende Werkzeuge wie Fräser ein. Bei Bauteilen mit komplexen Profilen eignet sich das Hochgeschwindigkeits-Trochoidalfräsen, ein Schruppverfahren mit niedrigen Belastungswerten. Der schnell rotierende Fräser bewegt sich auf einer durch ein CAD/CAM-System errechneten, komplexen Werkzeugbahn und zerspant dünne und breite Werkstoffschichten. Danach besitzt das Bauteil schon fast seine endgültige Kontur. Die noch verbleibende dünne Materialschicht wird im nächsten Schritt mittels Hochgeschwindigkeits-Schlichten entfernt. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Herstellung von Blisks und Antriebsrädern.
Schlüsselelemente der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
Die passende Maschine, eine effektive Bearbeitungsstrategie, eine stabile Werkzeughalterung und das richtige Werkzeug sind die Schlüsselelemente der HSM. Mehrachs-Bearbeitungszentren mit geringer Leistungsaufnahme, die speziell für die schnelle Bearbeitung entwickelt wurden, verfügen über ein hohes Drehmoment, einen entsprechenden Antrieb und eine Steuerung mit intelligenter Software. Anwender können damit sehr effizient arbeiten. Moderne Werkzeughalter sind zwar für einen erweiterten Drehzahlbereich ausgelegt, aber das Zerspanungswerkzeug, könnte zum schwächsten Glied der Kette werden. Jede Verbesserung des Zerspanungswerkzeugs kann daher entscheidend sein. Deshalb entwickeln die Hersteller ständig neue Lösungen, um den steigenden Ansprüchen gerecht zu werden.
Erwartet werden langlebigere und effizientere Werkzeuge, die bei deutlich erhöhten Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben zuverlässig arbeiten. Niedrigere Fertigungstoleranzen erfordern präzisere und gut ausgewuchtete Werkzeuge mit guten Standzeiten, mit denen hohe Drehzahlen möglich sind. Der Werkzeugspezialist Iscar hat eine Reihe von Lösungen entwickelt, die Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungskonzepten neue Impulse verleihen sollen. Dazu gehören insbesondere auch die Vollhartmetall (VHM)-Werkzeuge.
Mehr Schneiden, weniger Vibrationen
Die VHM-Schaftfräser mit mehreren Zahnreihen aus der Chatterfree-Linie hat Iscar speziell für die vibrationsarme Hochgeschwindigkeitsbearbeitung entwickelt. Ihr Design zeichnet sich durch unterschiedliche Spiralwinkel, ungleiche Teilung und eine speziell geformte Spankammer aus. Diese Baureihe ist für Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits-Vor- und Fertigfräsen sowie Trochoidalschruppen geeignet.
Das Chatterfree-Sortiment umfasst mehrere Schaftfräser-Familien für unterschiedliche Anwendungen. Schaftfräser mit sieben Schneiden aus einer ultrafeinen Hartmetall-Sorte sind für das Schruppen harter Werkstoffe und für das Schlichten ausgelegt. Zudem hat Iscar Schaftfräser mit sieben und neun Schneiden zum Trochoidalfräsen komplexer Bauteile aus Titan entwickelt. Mit ihrer Mikro- und Makrogeometrie bilden sie die Ti-Turbo-Familie. Dieser Name spiegelt die hohen Abspanraten beim Fräsen von Titan wider. Die neueste Entwicklung der Chatterfree-Linie integriert Spanteiler in das Design der Schaftfräser. Beim Trochoidalfräsen sind die Späne dünn, aber lang. Die Spanteilung in kürzere Segmente trägt zu einer besseren Spanabfuhr und Oberflächengüte bei. Das erhöht die Genauigkeit und Effektivität beim Hochgeschwindigkeits-Schruppen.
Die Spanteiler, auch Chipsplitter genannt, verringern sowohl Vibrationen als auch die Schnittkräfte, wodurch sie die trochoide Fräs- und Bearbeitungsleistung bei großen Auskragungen deutlich verbessern.
Keramik – für einen schnellen Schnitt
Das Fräsen von schwer zerspanbaren, hoch hitzebeständigen Superlegierungen (HTSA) durch Hartmetallwerkzeuge erfolgt bei niedrigen Schnittgeschwindigkeiten, normalerweise zwischen 20 und 40 Meter pro Minute. Die HSM mit geringem radialem Eingriff bis maximal zehn Prozent des Fräserdurchmessers erlaubt Schnittgeschwindigkeiten von 70 bis 80 Meter pro Minute. Eine Stellschraube für eine höhere Produktivität bei der Herstellung von Bauteilen aus HTSA ist eine höhere Schnittgeschwindigkeit.
Verbessern lässt sich dies mit dem Einsatz von Schneidkeramik als Werkzeugmaterial. Vollkeramik-Schaftfräser von Iscar erlauben eine deutlich erhöhte Schnittgeschwindigkeit von bis zu 1000 Meter pro Minute. Im Vergleich zu Werkzeugen aus VHM ist das eine Steigerung um den Faktor zwölf. Die neuen Schaftfräser sind mit Durchmessern von sechs bis 20 Millimeter erhältlich und sind mit drei oder sieben Schneiden ausgestattet. Die Einführung der Keramik-Schaftfräser zum Schruppen hat die Bearbeitungszeiten deutlich verkürzt und den Weg zu einer schnellen Vorformung eines Bauteils für das Schlichten geebnet.
Hochgeschwindigkeitsfräsen
Zum Hochgeschwindigkeitsfräsen mit großer Reichweite sind VHM-Werkzeuge keine wirtschaftlich attraktive Option – Fräser aus VHM-Werkzeugkörper mit Hartmetall-Fräskopf dagegen schon. Dieser Ansatz ist das Herzstück von Iscars Multi-Master-Familie aus Werkzeugen mit auswechselbaren Fräsköpfen. Eine umfangreiche Auswahl an Werkzeugkörpern, Fräsköpfen, Erweiterungen und Reduzierungen erlaubt eine große Zahl an unterschiedlichen Werkzeugkonfigurationen und verringert den Bedarf an Sonderwerkzeugen.
Die entfallende Rüstzeit ist ein großer Vorteil der Multi-Master-Linie. Anwender können den Fräskopf ersetzen, ohne das Werkzeug von der Maschinenspindel zu nehmen. Beim Austausch eines abgenutzten Fräskopfes ist keine zusätzliche Werkzeugvermessung oder eine entsprechende CNC-Programmeinstellung erforderlich. Ihre Steifigkeit, eine ausgewogene Struktur sowie hohe geometrische Präzision befähigen die Werkzeuge für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Ein typisches Beispiel für diese Anwendung ist das Schlichten von 3D-Oberflächen in harten Werkstoffen. Dafür wurden die MM HBR-Kugelfräsköpfe mit einer über Zentrum schneidenden, sphärischen 240-Grad-Geometrie und h7-Toleranzen für den Kopfdurchmesser entwickelt.
Zuverlässige Werkzeughalter
Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erfordert zuverlässige, hochwertige, gut ausgewuchtete und präzise Werkzeughalter. Hier haben sich thermische Schrumpffutter bewährt. Die Shrinkin-Schrumpffutter-Linie umfasst die X-Stream-Familie sowie Thermofutter mit Kühlmittelkanälen entlang des Werkzeugschafts. Das Design erlaubt die zielgerichtete Kühlmittelzufuhr direkt in die Schnittzone. Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von Luft- und Raumfahrtkomponenten, etwa von Blisks, verbessert ein gut gelenktes Kühlmittel die Leistung deutlich. Bei tiefen Taschen und Kavitäten haben die neuen Aufnahmen mit zielgerichteter Kühlmittelzuführung die Schlichtdurchgänge minimiert, die Spanabfuhr verbessert und die Standzeit erhöht.
Die kompakten, kühlmittelbetriebenen Schnelllaufspindeln der Spinjet-Serie können Drehzahlen von bis zu 55 000 Umdrehungen pro Minute erreichen. Damit können Anwender ihre Bearbeitungsmaschinen mit dem eigenen Kühlschmierstoff von Niedrig- auf Hochgeschwindigkeit aufrüsten und für die HSM fit machen.
Iscar Germany GmbH
www.iscar.de
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