Haben Sie das Bedürfnis nach Geschwindigkeit?

Die Integration von Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSM) in Ihre Werkstatt ist eine effiziente und kostengünstige Möglichkeit, die Produktivität für Maschinenwerkstätten jeder Größe zu steigern.

Sogar Spezialhersteller, etwa solche, die HSM zur Herstellung von EDM-Elektroden verwenden oder solche, die Gesenke und Formen fertigstellen, haben festgestellt, dass diese Bearbeitungsmethode die Produktionskosten senkt, die Qualität verbessert und die Produktionszeit verkürzt.

Ursprünglich wurde HSM vor allem in der Gesenk-/Formenindustrie eingesetzt, doch mittlerweile wird es auch in anderen Industriezweigen viel häufiger eingesetzt, darunter in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Mikrobearbeitung sowie sowohl bei Präzisionskomponenten als auch bei der allgemeinen Bearbeitung.

Um HSM optimal zu integrieren, kann es hilfreich sein, vollständig zu verstehen, was es ist und wie es funktioniert.

HSM ist ein Metallschneideverfahren, bei dem hohe Geschwindigkeiten und Vorschübe im Vordergrund stehen, um die Produktivität zu steigern und die Oberflächenqualität zu verbessern. HSM wählt eine höhere Spindeldrehzahl, verwendet kleinere Werkzeuge und führt flachere Schnitte durch als herkömmliche Fräsvorgänge. HSM wird normalerweise mit jeder Spindelgeschwindigkeit über 15.000 U/min in Verbindung gebracht, aber es ist viel mehr als nur eine schnellere Spindel.

Änderungen im Führungsbahndesign und verbesserte Steuerungsverarbeitungsfähigkeiten spielen eine Schlüsselrolle für die Fähigkeit einer Maschine, HSM auszuführen.

Während herkömmliche Werkzeugmaschinen zur Verbesserung der Steifigkeit typischerweise Kastenführungssysteme verwenden, verwenden viele Hochgeschwindigkeitswerkzeugmaschinen lineare Führungen.

Linearführungssysteme reduzieren die Reibung, sind im Allgemeinen genauer und nehmen gleichzeitig leichtere Lasten auf.

Steuerungen mit fortschrittlicher Look-Ahead-Technologie verkürzen zudem die Zykluszeiten. Look-Ahead tut einfach das, was es impliziert: Es blickt voraus auf die Daten und behält die höchstmögliche Vorschubgeschwindigkeit bei, ohne die Teilegenauigkeit zu beeinträchtigen. Es ist so, als würde ein Bediener ständig tausende Male pro Sekunde den Vorschub-Override verstellen, um den Vorschub, wenn möglich, zu erhöhen und ihn zu verringern, wenn es zur Aufrechterhaltung der Genauigkeit erforderlich ist.

Nach früheren Maßstäben würden die meisten neuen Bearbeitungszentren heute als Hochgeschwindigkeitsmaschinen gelten.

Fortschritte in der Technologie haben die Spindelgeschwindigkeiten auf über 100.000 U/min erhöht. Begleitend zu den schnelleren Spindeln erhöhen die Look-Ahead-Fähigkeiten moderner Steuerungssysteme das Potenzial von Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentren weiter. Selbst bei schnelleren Spindeln verwenden einige Maschinen immer noch Kastenführungen oder andere konventionellere Führungssysteme, wodurch sie sich besser für schwere Bearbeitungen als für Hochgeschwindigkeitsfräsen eignen.

Die häufigsten Anwendungen von HSM sind:

Der Hauptvorteil von HSM besteht darin, dass es wesentlich schnellere Bearbeitungsgeschwindigkeiten als bei der herkömmlichen Bearbeitung ermöglicht. Dies führt insbesondere bei Großserien zu erheblichen Zeit- und Kosteneinsparungen. HSM kann außerdem eine bessere Oberflächenqualität als die herkömmliche Bearbeitung erzielen, da es einen kleineren DOC und kleinere Bahnübergänge verwendet.

Obwohl HSM beim Schlichtfräsen häufiger vorkommt, verkürzt die Anwendung dieser Techniken auf Schruppzyklen die Zykluszeiten und verringert die Belastung und den Verschleiß der Werkzeugmaschinen. HSM wird häufig zur Bearbeitung schwer zu bearbeitender Materialien wie gehärteter Stähle, Titan und Luftfahrtlegierungen verwendet und kann auch zur Herstellung sehr hochwertiger Oberflächen verwendet werden.

Die hohen Geschwindigkeiten von HSM führen dazu, dass Schneidwerkzeuge schneller verschleißen und der Prozess schwieriger zu kontrollieren sein kann als die herkömmliche Bearbeitung. Darüber hinaus kann die Implementierung von HSM teurer sein, da spezielle Geräte und Werkzeuge erforderlich sind.

Der Betrieb von Schneidwerkzeugen mit hoher Drehzahl führt zu einer erhöhten Wärmeentwicklung im Schnitt. Allerdings kommt es bei den meisten Materialien ab einer bestimmten Oberflächengeschwindigkeit tatsächlich zu einer Verringerung der Wärme, da die Zeit, die die Schneidkante im Material verbringt, stark verkürzt wird.

Beispielsweise kommt es bei Nichteisenmetallen im Allgemeinen zu einem Anstieg der Schneidtemperatur auf etwa 1.000 SFM, danach beginnen die Temperaturen zu sinken. Untersuchungen zeigen, dass auch die Schnittkräfte sinken, was einer der Gründe für die geringere Wärmeentwicklung ist.

Hohe Geschwindigkeiten erhöhen jedoch das Risiko von Rattern, was zu schlechten Oberflächen führen und den Werkzeugverschleiß beschleunigen kann. Um dem entgegenzuwirken, kann ein wissenschaftlicher Ansatz wie der Tap-Test verwendet werden, bei dem die Resonanzfrequenz des Aufbaus ermittelt und so mögliche Ratterzonen lokalisiert werden.

Eine einfachere Möglichkeit, das Ratterproblem zu lösen, ist die Verwendung von vibrationsdämpfenden Haltern wie Hydraulik- oder Frässpannfuttern anstelle von Schrumpfsitzen sowie die Verwendung von Fräsern mit variabler Geometrie, die die Harmonischen des Fräsers aufbrechen.

HSM erfordert außerdem einen fortschrittlichen Werkzeugweg, was bedeutet, dass Sie sowohl einen hochqualifizierten Programmierer als auch robuste Software benötigen. Darüber hinaus müssen die Bediener besonders darauf achten, festzustellen, ob der implementierte Prozess erfolgreich funktioniert, und in der Lage sein, etwaige Mängel zu erkennen, bevor sie ein Teil verschrotten oder Werkzeuge und Maschinen beschädigen.

Die Kosten für die Implementierung von HSM können eine Eintrittsbarriere darstellen. Es erfordert teure Werkzeugmaschinen, Zubehör und Schneidwerkzeuge, die alle harmonisch zusammenarbeiten, um einen fortschrittlichen Prozess zu ermöglichen. Nicht nur die Ausrüstung ist kostspielig, auch die Kosten für einen Maschinisten, der in der Lage ist, diese Prozesse zu erstellen und umzusetzen, sind oft höher.

Hochgeschwindigkeitsmaschinen unterscheiden sich in mehreren Merkmalen von herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen:

HSM erfordert spezielle Werkzeuge, die den im Prozess verwendeten hohen Geschwindigkeiten und Vorschüben standhalten.

Die Anforderungen an die Werkzeug- und Werkstückspannung bei HSM sind anspruchsvoller als bei der konventionellen Bearbeitung, da die hohen Geschwindigkeiten und Vorschübe bei HSM zum Rattern des Werkstücks führen können, was zu minderwertigen Oberflächen und Werkzeugschäden führen kann.

Zu den wichtigsten Überlegungen zur Werkzeugausstattung und Werkstückhalterung für HSM gehören die Schneidwerkzeuge selbst, die Werkstückhalterung und die Werkzeughalterung.

Schneidwerkzeuge müssen den hohen Geschwindigkeiten und Vorschüben im HSM standhalten. Beschichtete Vollhartmetallwerkzeuge sind der am häufigsten verwendete Fräsertyp im HSM. Es können auch CBN-Werkzeuge verwendet werden, da sie eine sehr hohe Verschleißfestigkeit aufweisen und bessere Oberflächenergebnisse erzielen können, da kein Risiko besteht, die Werkzeuge in der Mitte eines Teils zu wechseln und Oberflächen verrunden zu müssen.

Die Werkstückspannung muss das Werkstück sicher an Ort und Stelle halten, um zu verhindern, dass es sich verbiegt und klappert.

Werkzeugspanntechnik wie Spannzangenfutter und Hydrodehnspannfutter sind für HSM eine gute Wahl, da sie Vibrationen dämpfen. Halter sollten vor dem Einbau in eine Maschine ausgewuchtet werden, um Vibrationen zu reduzieren und die Genauigkeit zu verbessern.

Letztendlich beeinflusst die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit die Wahl der Werkzeuge und Werkstückhalterungen. Um das bestmögliche Finish zu erzielen, sind leichtere Schnitte und kleinere Abstände erforderlich, und dies gelingt effizient bei hohen Spindelgeschwindigkeiten.

Auch die Kosten für Werkzeuge und Spannvorrichtungen können ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung für den Einsatz von HSM sein. HSM-Werkzeuge sind in der Regel teurer als herkömmliche Bearbeitungswerkzeuge.

HSM-Werkzeugwege sind die Pfade, denen das Schneidwerkzeug folgt, wenn es Material vom Werkstück entfernt. Die Gestaltung des Werkzeugwegs hat einen erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endprodukts und die Produktivität des Bearbeitungsprozesses.

In HSM können verschiedene Werkzeugwege verwendet werden. Zwei häufige sind:

1. Constant-Engagement-Toolpaths. Diese Werkzeugwege sorgen für einen konstanten Eingriffswinkel zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück. Diese Art von Werkzeugweg wird häufig verwendet, da dadurch glatte Oberflächen erzeugt werden, die durch unterschiedliche Geometrien ineinander übergehen.

2. Werkzeugwege für hocheffizientes Fräsen (HEM). Diese Werkzeugwege sind so konzipiert, dass ein konstanter Fräsereingriff über die Länge der Umfangsschneide eines Fräsers gewährleistet ist. Die konstante Spanbreite erzeugt gleichmäßige Schnittkräfte und macht Werkzeugverschleiß und Oberflächengüte vorhersehbar und gleichmäßig.

Die Wahl des Werkzeugwegs für eine bestimmte Anwendung hängt von mehreren Faktoren ab, darunter der Art des zu bearbeitenden Materials, der gewünschten Oberflächenbeschaffenheit und den Produktivitätsanforderungen.

Bei HSM stellt das Kühlmittel eine Herausforderung dar, da die hohe Hitze, die entsteht, zu Thermoschock und vorzeitigem Werkzeugverschleiß führen kann.

Für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gibt es drei Hauptkühlmittelstrategien: Verwendung wasserlöslicher Kühlmittel, Einsatz von MMS und Trockenbearbeitung.

Die Verwendung von wasserlöslichem Kühlmittel kann schwierig sein. Obwohl Überflutungskühlung bei vielen Bearbeitungsvorgängen üblich ist, wird sie bei hohen Spindeldrehzahlen häufig vermieden. Dies liegt daran, dass wasserlösliche Kühlmittel eine größere Wärmeleitfähigkeit haben, wodurch das Werkzeug schnell abkühlt. Allerdings entwickeln Kühlmittelhersteller ständig neue Technologien, die den Einsatz wasserbasierter Kühlmittel für HSM ermöglichen.

Beim Hartfräsen wird häufig die Trockenbearbeitung eingesetzt, da dadurch die Probleme vermieden werden, die durch das schnelle Abkühlen der Werkzeuge und die Entstehung eines Thermoschocks entstehen. Typischerweise wird ein Luftstoß auf die Spitze des Fräsers ausgeübt, um die Hitze zu reduzieren und gleichzeitig Späne aus dem Schneidbereich zu entfernen.

MMS verwendet eine sehr kleine Menge Schneidöl, das mit Luft gestrahlt wird. MMS kann als guter „Mittelweg“ verwendet werden, da es für eine gute Schmierung der Oberfläche sorgt, ohne dass es zu einer schnellen Abkühlung kommt.

Die Wahl der Kühlmittelstrategie hängt von der spezifischen Anwendung ab, und Kühlmittelhersteller bieten je nach Material, Art der durchgeführten Bearbeitung und verwendeten Schneidwerkzeugen unterschiedliche Kühlmittel an.

HSM erzeugt sehr glatte Oberflächen, sofern die Bearbeitungsparameter richtig eingestellt sind. Viele Faktoren beeinflussen die von HSM erzeugte Oberflächenbeschaffenheit.

Die Geometrie des Schneidwerkzeugs hat einen erheblichen Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit. Geometrien wie Spanwinkel, Spiralwinkel und Freiwinkel bestimmen alle, wie sauber das Material geschert wird und eine glattere Oberfläche hinterlässt. Sie bestimmen aber auch, wie schnell sich ein Werkzeug beim Schneiden bestimmter Materialien abnutzt oder sogar bricht.

Die Schnittgeschwindigkeit ist einer der wichtigsten Faktoren, die die von HSM erzeugte Oberflächengüte beeinflussen. Höhere Schnittgeschwindigkeiten reduzieren die Schnittkräfte über einen bestimmten Schwellenwert hinaus, was zu glatteren Oberflächen führen kann.

Bei der Auswahl der Vorschubgeschwindigkeit muss sorgfältig überlegt werden, da die Spanlast (Vorschub pro Zahn) direkten Einfluss auf die Oberflächengüte hat. Ein größerer Vorschub pro Zahn führt zu einer raueren Oberfläche, aber wenn ein Werkzeug zu langsam vorgeschoben wird, kann es zu einer Brünierung kommen, die ein unerwünschtes Finish hinterlässt und zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß führt.

Wie bereits erwähnt, beeinflusst der Einsatz von Kühlmittel auch die von HSM erzeugte Oberflächengüte. Kühlmittel hilft, Hitze und Vibrationen zu reduzieren, was beides zur Verbesserung des Finishs beiträgt.

Carl O'Brien ist kanadischer Vertriebsleiter für MC Machinery Systems Canada, 50 Vogell Rd., Unit #1, Richmond Hill, Ontario. L4B 3K6, 905-737-1265, www.mcmachinery.com.