Die Verwendung von Fünfachsenbearbeitung kann in mehreren Bereichen Vorteile bringen. Vorteile können durch die Analyse der Ausrüstung, des Prozesses und der Vorrichtung erzielt werden, insbesondere durch die Schneidewerkzeuge und Schneidwirkung.
Neben bestimmten Funktionen, die nur mit einer vollständigen Fünfachsenbearbeitung erreicht werden können, gibt es auch selektive und vereinfachte Bearbeitungsprozesse, bei denen fünf Achsen zum Einsatz kommen. Dazu gehört die Verwendung von drei plus zwei Achsen oder manchmal nur drei Achsen, insbesondere für verschiedene Schrupp-, Vorschlicht- und Fräsvorgänge.
Obwohl einige Teilemerkmale hyperbolische Konturen aufweisen und sich gleichzeitig entlang fünf Achsen bewegen, kann mit dem richtigen Werkzeug und einer entsprechend konstanten Schnittmenge nahezu jede Krümmung effektiv bearbeitet werden.
Hauptvorteile der 5-Achsen-Bearbeitung
Das Offensichtliche ist die Fähigkeit, komplexe dreidimensionale (zweiseitige) Teilemerkmale mit hoher Präzision und hervorragender Oberflächenqualität effizient herzustellen. Die Fräszeit wird erheblich reduziert, da in der Regel nur eine Aufspannung und minimale Fräsvorgänge erforderlich sind und der Werkzeugüberhang so kurz wie möglich gehalten wird. Die Metallabtragsraten werden häufig erhöht und das Risiko von Werkzeugkollisionen ist beherrschbar. Bei der Fünfachsenbearbeitung, der Simultanbearbeitung und der Drei-plus-Zwei-Achsen-Bearbeitung sind die Auswahl des Schneidwerkzeugs und des Prozesses Schlüsselfaktoren für erfolgreiche Ergebnisse. Die Prozessauswahl ist bei der Simultanbearbeitung wichtiger als bei der Drei-plus-Zwei-Achsen-Bearbeitung, da erstere weniger anspruchsvoll ist und als Dreiachsenoperation behandelt werden kann.
Die fünfachsige CNC-Bearbeitung basiert auf der Fähigkeit der Werkzeugmaschine, 3D-Teileformen durch Bewegung in fünf Achsen zu erzeugen. Darüber hinaus bedeutet echte fünfachsige Simultanbearbeitung, dass das Werkzeug nicht nur entlang der Rotationsachsen positioniert werden kann, sondern auch während des Schneidens entlang dieser Achsen vorgeschoben werden kann. Das zwangsläufige Ergebnis ist, dass die Werkzeugmaschine komplexe Teileformen in einer einzigen Aufspannung herstellen kann. Zusätzlich zu den drei Grundachsen (x, y und z) sind zwei zusätzliche Achsen (b und c oder manchmal a und c, je nach Maschinenkonfiguration) enthalten, die um die z-Achse schneiden und um die y-Achse (oder x und y) rotieren. Wenn die Spindel oder der Tisch der Werkzeugmaschine in einem Winkel fixiert ist und die Bearbeitung im Dreiachsenmodus durchgeführt wird, handelt es sich um eine Drei-plus-Zwei-Achsen-Bearbeitung. Aus Sicht der Werkzeugmaschine gibt es mehrere Möglichkeiten, eine fünfachsige Bearbeitung zu erreichen: ein fünfachsiges Bearbeitungszentrum, eine Kipptischanordnung oder durch einen Spindelkopfaufsatz.
Fünfachsige Bearbeitung von Laufrädern mit CoroMill Plura Vollhartmetall-Schaftfräsern
Die Textur, die das rotierende Werkzeug auf der Teileoberfläche erzeugt, ist die wichtigste Überlegung. Aus diesem Grund werden der Vorlaufwinkel und der Werkzeugneigungswinkel im CAD-CAM-Programm implementiert und sollten bei der Gestaltung der Klemmmethode berücksichtigt werden. Nicht nur der Hauptspanwinkel der Schneide, sondern auch der Grad des Werkzeugeingriffs und die Größe des Freiwinkels wirken sich auf die Vermeidung von Rückschnitten aus.
Der Vorlaufwinkel wird als Winkel zwischen der Werkzeugmittellinie und einer senkrechten Linie zur Werkstückoberfläche an dem Punkt gemessen, an dem das Werkzeug das Werkstück in Vorschubrichtung berührt. In vielen Fällen bleibt dieser Wert konstant und entspricht dem empfohlenen Wert für das verwendete Werkzeug, er kann jedoch durch Programmierung geändert werden, wenn die CAM dies zulässt. Bei einem festen Vorlaufwinkel wird das Werkzeug in der gesamten Vorschubrichtung in einem vorgegebenen Winkel relativ zur Werkstückoberfläche geneigt. Der Vorlaufwinkel basiert auf dem kleinsten Innenradius auf der Oberfläche und dem effektiven Durchmesser des Werkzeugs.
Der Neigungswinkel des Werkzeugs basiert auf einer Ebene senkrecht zur Vorschubrichtung. Im Gegensatz zum Steigungswinkel wird er daher auf Grundlage der Werkzeugmittellinie und einer senkrechten Linie zur Oberfläche am Schnitt gemessen. Ein konstanter Steigungswinkel an jedem Punkt ist für die Erzeugung gekrümmter und konkaver Teiloberflächen unerlässlich. Obwohl das Punktfräsen mehr Schnittzeit benötigt und die Werkzeuglebensdauer verkürzen kann, ist es eine sichere Methode, um konkave und doppelt gekrümmte Oberflächen zu erzielen. Das Werkzeug behält immer Kontakt mit dem Werkstück an seinem Rundungsradius (die Position des Kontaktpunkts variiert entlang des Werkzeugrundungsradius je nach spezifischer Oberfläche) und eine 3D-Oberfläche kann durch kontinuierliche Durchgänge erzeugt werden. Das Punktfräsen mit Schaftfräsern eignet sich für Schrupp-, Vorschlicht- und Schlichtvorgänge.
Seitenfräsprozess
Effizienter, mit kürzeren Schnittzeiten als Punktfräsen, aber in mancher Hinsicht eingeschränkter. Am besten geeignet für Vorschlicht- und Schlichtvorgänge, aber beschränkt auf einzelne gekrümmte und konvexe Oberflächen. Wie der Name schon sagt, wird beim Seitenfräsen hauptsächlich mit der Seite des Werkzeugs geschnitten, und der Werkzeugradius (falls vorhanden) erzeugt nur den Eckenradius des Teils. Aufgrund der größeren Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Teil erfordert es mehr Leistung, Drehmoment, Stabilität, Spanabfuhr und Maschinenlauffähigkeit.
Die Werkzeugauswahl für die Fünfachsenbearbeitung hängt teilweise von der jeweiligen Fräsmethode (Punkt- oder Seitenfräsen) ab. Seitenfräsen erfordert ein Werkzeug mit ausreichend langen radialen Schneidkanten, wie Vollhartmetall-Schaftfräser oder Wechselkopffräser. Diese Fräser können gerade oder konisch sein und verschiedene Eckradien aufweisen. Es gibt mehrere Techniken für das Seitenfräsen: Trochoidales, Scheiben- oder Profilfräsen. Konische Kugelkopffräser bieten eine höhere Stabilität als Kugelkopffräser, die einen kleineren Passungsradius erfordern.
Beim Trochoidalfräsen (ein dreiachsiges Schruppverfahren) schneidet das Werkzeug in einer kontinuierlichen spiralförmigen Werkzeugbahn und bewegt sich radial in einem begrenzten Raum mit hohen Materialabtragsraten. Das Werkzeug bewegt sich bei jedem Schnitt kontinuierlich nach außen und bildet eine Nut oder Kontur. Da die radiale Schnitttiefe gering ist, kann eine größere Schnitttiefe verwendet werden und es werden relativ geringe Schnittkräfte erzeugt. Das Schneiden (ein dreiachsiges Halbschrupp-/Schlichtverfahren) ähnelt dem Verrunden von Teilen und erfordert im Allgemeinen eine schnelle, dynamisch steife Werkzeugmaschine. Darüber hinaus wird das Schneiden in mehreren Durchgängen bei einer geringen radialen Schnitttiefe durchgeführt, sodass bei großen Radien eine größere axiale Schnitttiefe angewendet werden kann. Kopierfräsen kann ein 2D-Schneidprozess sein, bei dem nur die Seitenfläche verwendet wird, oder ein 3D-Schneidprozess, bei dem die Bodenfläche für den Werkzeugradius geformt wird. Kopierfräsen erfordert ebenfalls eine schnelle, dynamisch steife Werkzeugmaschine und extrem hohe Stabilität.
Zum Punktfräsen
Abhängig von den Teilemerkmalen und den Anforderungen an die Oberflächenqualität stehen viele Werkzeuge zur Auswahl. Generell werden für größere offene Oberflächen Rundfräser oder Kugelfräser bevorzugt. Für Taschen sind konische Kugelfräser mit großen Werkzeugüberhängen oft die beste Wahl, wobei die Adapter mit reduziertem Durchmesser des modularen Werkzeugsystems maximale Stabilität gewährleisten, wenn Werkzeugzugänglichkeit erforderlich ist.
Der Werkzeugeinsatz beim Schruppen hängt von den Fähigkeiten der Werkzeugmaschine und den Anforderungen an die Werkstückoberfläche ab. Bei der Dreiachsenbearbeitung können größere effektive Werkzeugdurchmesser verwendet werden. Beim Vorschlichten sollten die Werkzeugwegstrategien die Schlichtstrategien nachahmen und sind in der Regel bei der Fünfachsenbearbeitung (manchmal bei der Dreiachsenbearbeitung) am effizientesten, um die besten Bearbeitungsergebnisse zu erzielen. Das Ziel sollte sein, eine gleichmäßige Bearbeitungszugabe für den Schlichtvorgang zu belassen.
Beim Schlichten hängt die Werkzeugauswahl von der erforderlichen Oberflächenqualität und Genauigkeit ab. Die simultane Fünfachsenbearbeitung kann durch den Einsatz unterschiedlicher Werkzeugtypen optimiert werden, die auf die Eigenschaften und das Finish des Teils abgestimmt sind. Rundschaftfräser werden häufiger verwendet, und Kugelkopffräser eignen sich für Schnitte, die anspruchsvollere Formen und Zugänglichkeit erfordern, wie z. B. geschlossene Taschen.
Eine Auswahl verschiedener Fräswerkzeuge
Geeignet für simultane und dreiachsige Bearbeitungsvorgänge, je nach Grad der Schrupp- und Schlichtbearbeitung. Beispielsweise eignen sich Rundfräser mit großem Durchmesser für flache, große Flächen, bei denen relativ große radiale Schnitte verwendet werden. Beim Fräsen mit Rundfräsern oder Schaftfräsern mit großem Eckradius oder runder Spitze ist es am besten, geeignete Einlauf- und Spanwinkel anzuwenden, um maximale Leistung und Bearbeitungsergebnisse zu gewährleisten. Der Spanverdünnungseffekt, der zu hohen Vorschubfähigkeiten führen kann, ist ein Produktivitätsfaktor, der berücksichtigt werden muss.
Kugelkopfwerkzeuge eignen sich gut für das fünfachsige Punktfräsen, aber Zugänglichkeit und Achsenfreiheit sind eingeschränkt (drei plus zwei Achsen), z. B. durch Teilemerkmale oder Vorrichtungen. Diese Werkzeuge sind im Allgemeinen Vollhartmetall-Schaftfräser oder Wechselkopffräser mit kurzen Bearbeitungszeiten und extrem hoher Effizienz bei hohen Schnittgeschwindigkeiten. Natürlich sind sie auch für alle drei plus zwei Achsen-Bearbeitungsvorgänge geeignet.
Oberflächenqualität bei der 5-Achs-Bearbeitung
Dies ist teilweise eine Frage des Zustellungsabstands, der mit dem Werkzeugdurchmesser zusammenhängt. Er ist bei der jeweiligen Anwendung ein wichtiger Faktor, da er die Bearbeitungszeit und die Oberflächenqualität beeinflusst. Im Vergleich zu Kugelkopffräsern beim herkömmlichen Profilfräsen kann die Verwendung von Rundplattenfräsern die Schnittzeit deutlich reduzieren. Bei Rundplattenfräsern beträgt das Verhältnis zwischen Zustellungsabstand und Durchmesser maximal 1:2, und größere Zustellungsabstande können die Bearbeitungszeit reduzieren, hinterlassen aber eine höhere Oberflächengüte. In dieser Hinsicht bieten Kugelkopffräser nicht dieselbe Produktivität, und auch die Bearbeitungsbedingungen sind schlechter. Das Werkzeug bildet je nach Vorschub pro Zahn und Schnittbreite eine Oberfläche mit bestimmten hohen Punkten, während die Schnitttiefe die Schnittkräfte beeinflusst und eine hohe Werkzeugstabilität erfordert. Um eine glatte und gleichmäßige Oberflächenqualität zu erzielen, sollten Werkzeugneigung, Vorschubwert, Schnittrichtung und Werkzeugspannung optimiert werden, um die beste Balance zu erreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass jede Bearbeitungsmethode und jeder Werkzeugtyp seine spezifischen Vorteile hat. Die richtige Wahl des Werkzeugs und seine Anwendungsoptimierung können mehr Bearbeitungsmöglichkeiten bieten und die Möglichkeit bieten, die Kosten der Fünfachsenbearbeitung zu senken. Darüber hinaus kann die Verwendung einer guten Simulationssoftware die Fehlerwahrscheinlichkeit erheblich reduzieren und die Verschwendung wertvoller Produktionszeit beim Testen neuer Programme auf der Werkzeugmaschine vermeiden.
