Es ist bekannt, dass der Haupttrend bei CNC-Bearbeitungszentren, die in den letzten zehn Jahren in Werkstätten eingesetzt wurden, schneller, intelligenter und mit leichteren, weniger stromhungrigen Spindeln war. Und steigende Energiekosten beschleunigen diesen Prozess. Dieser Trend steht im völligen Widerspruch zum Einsatz leistungsstarker Werkzeugmaschinen, die tiefe Schnitte in einem einzigen Durchgang erzielen können. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) bedeutet zwangsläufig auch Niedrigleistungsbearbeitung (LPH), die unterschiedliche Schneidewerkzeuge und ein anderes Verständnis von Bearbeitungswerkzeugen.
Als Reaktion auf den Trend zur Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit geringem Energieverbrauch entwickeln viele führende Werkzeuganbieter spezielle Werkzeuglinien für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Oder sie versehen ihre Werkzeugprodukte mit Angaben zur Nennspindeldrehzahl. Einige Werkzeuganbieter sind sogar noch weiter fortgeschritten. Der Grund dafür ist, dass die aktuelle Situation der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bzw. Nennspindeldrehzahl zwar gut und für die Sicherheit von Hochgeschwindigkeitsspindeln notwendig ist, aber noch nicht vollständig entwickelt ist. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bzw. Nenndrehzahl selbst bedeutet lediglich, dass der Bohrer oder das Werkzeug gut ausbalanciert ist, wenn es tatsächlich mit einer Drehzahl von 12.000 U/min oder 40.000 U/min läuft und der Einsatz fest im Werkzeug installiert ist. Dies sagt jedoch nichts über die Bearbeitungseffizienz des Werkzeugs aus, die der Schlüsselfaktor zum Energiesparen und zum Schutz der Struktur von Leichtbauwerkzeugmaschinen ist.
Natürlich muss die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung oder Nenngeschwindigkeit betont werden, aber die Vision sollte auch weiter reichen. Sie werden feststellen, dass es zwischen den verschiedenen Fräsern und Bohrern, die derzeit für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verwendet werden, große Unterschiede in der Bearbeitungseffizienz und Energieeffizienz gibt. Diese Unterschiede sind besonders wichtig beim Schruppen, beim Fräsen in einem Durchgang und bei der Bearbeitung von Löchern mit großem Durchmesser.
Merkmale und Einschränkungen von CNC-Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentren
Lassen Sie uns zunächst ein typisches CNC-Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrum analysieren, um zu sehen, wie es sich von herkömmlichen Werkzeugmaschinen unterscheidet. Natürlich ist es schnell, mit einer Nennspindeldrehzahl von bis zu 40.000 U/min und kann extrem hohe Vorschubgeschwindigkeiten erreichen. Es ist außerdem hochintelligent und sein Steuerungssystem kann normalerweise Interpolationsverarbeitung, Werkzeugwegoptimierung und 3-6-Achsen-Verbindungsverarbeitung durchführen.
Es gibt jedoch auch Nachteile. Erstens kann die Nennleistung des Spindelmotors nur 20 PS (25 kW) oder weniger betragen. Zweitens ist die Struktur der Werkzeugmaschine sehr leicht und daher anfälliger für Durchbiegungen und Vibrationen (dies wird oft übersehen). Tatsächlich ist es normalerweise die strukturelle Steifigkeit und nicht die Spindelleistung, die die Verbesserung der Materialabtragsrate begrenzt. Nicht nur der Spindelmotor, sondern die gesamte Werkzeugmaschine ist für leichtes, schnelles Schneiden in mehreren Durchgängen ausgelegt (anstatt für tiefes Schneiden in wenigen Durchgängen).
Neue Überlegungen zum Werkzeugdesign für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
Aus Sicht der Schneidwerkzeuge besteht der Schlüssel zu effizienter und kostengünstiger Bearbeitung darin, die Schneidzone sofort zu erhitzen, um das zu schneidende Metall zu erweichen und die Wärme auf die Späne zu übertragen, sodass die Wärme zusammen mit den Spänen die Schneidzone verlässt. Je weicher das Metall ist, desto weniger Kraft ist offensichtlich erforderlich, um das Metall zu entfernen. Dies ist eine völlig andere Denkweise als in der Vergangenheit, als jede mögliche Methode zur Reduzierung der Bearbeitungstemperatur eingesetzt wurde, was von uns einen anderen Ansatz in der Werkzeugkonstruktionsphase und vom Benutzer in der Werkzeugauswahlphase erfordert.
Kritische Merkmale von Werkzeugsubstraten, Beschichtungen und Geometrie
Die Schnittwärme ist zwar immer noch der Feind von Wendeschneidplatten, kann aber an der Schnittstelle des Werkstücks und im Span in einen positiven Faktor umgewandelt werden. Die heutigen Hochgeschwindigkeitsfräser sind auf bessere Leistung ausgelegt und können in Verbindung mit Hochgeschwindigkeitsspindeln (und ihren hohen Oberflächenschnittgeschwindigkeiten) eine plastische Erweichung des Metalls an der Schnittstelle bewirken. Wenn ein solches Werkzeug gefunden werden kann, kann es die durch die Verformung des Spans erzeugte Wärme nutzen, um das zu schneidende Metall zu erweichen. Indem man es einfach in einen Zustand bringt, in dem es leichter zu schneiden ist, kann man schneller und energieeffizienter schneiden und gleichzeitig die Lebensdauer von Werkzeug und Maschine verlängern.
Wendeschneidplatten, die für die Bearbeitung mit geringer Leistung entwickelt wurden, sollten zwei weitere wichtige Merkmale aufweisen: Erstens sollten Substrat und Beschichtung hohen Temperaturen und Stößen standhalten. Zweitens sollte die Schneidkantengeometrie so ausgelegt sein, dass ein vollständiges Freischneiden (Hochgeschwindigkeitsschneiden ohne Unterstützung) möglich ist. Substrat und Beschichtung müssen der Hochtemperaturumgebung standhalten, die mit den plastischen Veränderungen des Materials in der Schneidzone einhergeht. Sie müssen außerdem den häufigen Stößen standhalten, die durch wiederholtes Auftreffen auf das Werkstück bei hohen Oberflächengeschwindigkeiten entstehen, und diese Stoßkräfte nehmen proportional mit der Erhöhung der Spindeldrehzahl zu.
Was die Spanflächengeometrie von Fräswerkzeugen mit geringer Leistung betrifft, sollten die Wendeschneidplatten mindestens einen doppelt positiven Spanwinkel aufweisen, der sowohl in radialer als auch in axialer Richtung positiv ist. Dies gewährleistet einen glatten Einstechschnitt in beide Richtungen, der weniger Schnittkraft erzeugt und weniger Leistung verbraucht als der Schabeffekt, der von einem stumpferen Werkzeug mit 0° Spanwinkel erzeugt wird. Allerdings haben nicht alle Wendeschneidplatten einen doppelt positiven Spanwinkel, daher müssen Sie bei der Auswahl vorsichtig sein.
Vorteile und Auswahlempfehlungen von Spiralschneidwerkzeugen
Achten Sie auch auf Schaftfräser (von denen es nur wenige gibt) mit spiralförmigen Schneidkanten, die den Kraftbedarf und die Schlagkräfte deutlich reduzieren und deren gebogene Schneidkanten es dem Sägeblatt erleichtern, in das Werkstück einzuschneiden. Auf mikroskopischer Ebene ähnelt dies eher der Blechbearbeitung, bei der ein abgewinkeltes Sägeblatt jeweils einen Teil des Materials abschert, anstatt ein ganzes Blech in einem Durchgang zu stanzen. Die Verwendung eines Spiralwinkels von 20° bis 45° für den Fräser kann auch den Aufprall des Werkzeugs beim Einschneiden verringern und die Entstehung von Graten beim Ausschneiden unterdrücken.
Vergleich von Rundfräsern und Kugelfräsern
Bei der Formbearbeitung wird beim Fräsen mit Kugelkopffräsern viel Energie verschwendet, da nur ein kleiner Teil der Schnittfläche (der Bereich um die Mittellinie) mit der optimalen Oberflächengeschwindigkeit und Effizienz schneidet. Eine bessere Wahl ist die Verwendung eines Rundkopffräsers. Schaftfräser mit geraderen Zähnen.
Der Teilungsradius des Werkzeugs und die damit verbundene Oberflächenschnittgeschwindigkeit sind über die gesamte Schnittfläche hinweg ziemlich konstant. An beiden Enden der Schnittfläche nähert sich die Oberflächengeschwindigkeit nicht Null, da sie nahe an der Spitze des Kugelfräsers liegen muss. Zweitens kann beim geradlinigen Schneiden ein großer Schabradius verwendet werden, um den Spanverdünnungseffekt auszunutzen und einen schnelleren Materialabtrag zu erreichen. Der große Spitzenradius in Kombination mit der umgekehrten Verjüngung erleichtert das Reinigen von Ecken und minimiert die Schnittkräfte. Alle Schnittflächen verwenden große positive Spanwinkel, um die Schnittkräfte und den Stromverbrauch zu reduzieren.
Hochgeschwindigkeits-Trockenschneiden und Optimierung der Werkzeugparameter
Sobald der richtige Schaftfräser ausgewählt ist, ist es wichtig, ihn voll auszunutzen. Die Regel für das Schneiden der meisten Stähle lautet: schnelles Schneiden, Heißschneiden, Trockenschneiden. Eine Erhöhung der Spindeldrehzahl und der Vorschubgeschwindigkeit kann zu einer Plastifizierung des Materials führen und auch die Produktivität verbessern. Verwenden Sie die vom Werkzeughersteller empfohlenen Schnittparameter (Vorschub und Schnittgeschwindigkeit) nur als Ausgangspunkt und verbessern Sie diese. Der wichtigste Punkt ist, kein Kühlmittel zu verwenden. Neben dem Schutz des Schaftfräsers vor Thermoschock muss das Fräswerkzeug auch die erforderliche Wärme erzeugen, um das Werkstückmaterial zu erweichen. Während der Bearbeitung ist möglicherweise keine Schneidflüssigkeit erforderlich, um die Späne auszuspülen, und bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Werkzeugen mit positivem Spanwinkel können die Späne gut abtransportiert werden. Das Hinzufügen einer Düse mit Entfeuchtungsfunktion ist hilfreich.
Hier sind einige Richtlinien, von denen einige allgemein auf Schruppfräsvorgänge anwendbar sind, die aber alle für das Fräsen mit geringer Leistung wichtig sind.
- Verwenden Sie nach Möglichkeit Gleichlauffräsen. Dadurch schneidet die Schneide sanfter in das Werkstück, die leichtere Struktur der Werkzeugmaschine wird geschützt und die Lebensdauer des Werkzeugs verlängert.
- Die Untersuchung der Farbe der Späne kann Hinweise auf die Schneidleistung geben. Beim Fräsen von Stahl brauchen Sie sich keine Sorgen über dunkelblaue Späne zu machen, da diese auf gute Fräsergebnisse und Materialerweichung hinweisen und darauf, dass die Schnittwärme von den Spänen richtig abgeführt wird. Beim Fräsen von rostfreiem Stahl sind hell strohgelbe Späne ebenfalls ein Zeichen für gute Fräsergebnisse.
- Schmale Schultern sind energieeffizienter als breite Schultern, und die Kontaktbreite jedes Schnitts sollte 75% des Werkzeugs nicht überschreiten. Aus demselben Grund sollten Sie nicht mehr als zwei Einsätze gleichzeitig im Schnitt verwenden, da sonst nur mehr Reibung entsteht und mehr Energie verbraucht wird, was den Aufwand nicht wert ist. Wenn während der Verarbeitung Rattern auftritt, können Sie die Werkzeuggeometrieparameter (wie den Spanwinkel, den Einstellwinkel oder den Anstellwinkel) ändern, die Spanlast erhöhen und/oder den Spanwinkel des Einsatzes verringern (nicht erhöhen).
Eine energiesparende Alternative zum Bohren: Spiralfräsen
Das Bohren von Löchern wird oft als der energieintensivste Prozess pro abgetragener Materialeinheit angesehen. Selbst mit modernen Spiralbohrern wird nur ein kleiner Teil der Schnittfläche mit der idealen Oberflächengeschwindigkeit geschnitten. Selbst unter den besten Bearbeitungsbedingungen verbraucht die Reibung zwischen den Spänen und den Spantaschen Schnittenergie. Darüber hinaus verbraucht die Pumpe, die die Schneidflüssigkeit an die Schnittfläche liefert, Energie. Je größer und tiefer das zu bearbeitende Loch ist, desto höher ist der Energieverbrauch.
Für große Löcher mit einem Durchmesser von über 25,4 mm ist Spiralfräsen eine bessere Alternative. Dies erfordert natürlich eine Interpolationssteuerung an der Werkzeugmaschine. Dieses trockene, energiesparende Schneidverfahren hat eine gute Wirkung im Vergleich zu nassen, energieaufwendigen herkömmlichen Bearbeitungsverfahren. Löcher mit großem Durchmesser, die mit ein- oder mehrzahnigen Schaftfräsern hergestellt werden, erfordern weniger Maschinenleistung und Systemsteifigkeit als jeder Bohrer.
Anwender der Spiralfrästechnologie berichten von um 3/4 reduzierten Zykluszeiten für Passstiftlöcher und einem Frässtromverbrauch von nur 40%. Die meisten modernen CNC-Maschinen könnten die erforderliche Leistung zum Herstellen von Löchern mit so großem Durchmesser mit Flachbohrern nicht erbringen. Aus diesem Grund mussten viele Formenbauer die Werkzeuge auf eine Lehrenbohrmaschine oder eine Hochleistungsbohrmaschine umstellen, nur um die Passstiftlöcher herzustellen. Mit Spiralfräsen können sie alle Passstiftlöcher in einer Aufspannung auf einer Fräsmaschine mit geringer Leistung herstellen, die für die Hohlraumbearbeitung verwendet wird. Ob Sie es glauben oder nicht, Spiralfräsen ermöglicht das Herstellen großer Löcher direkt in Werkstücken ohne Vorbohren, ohne viel Zeit und Energie für die zunehmende Anzahl von Bohrvorgängen für große Löcher zu verschwenden.
Wenn Sie mit Spiralfräsen Löcher mit unterschiedlicher Tiefe oder Sacklöcher bearbeiten, achten Sie auf die Spanabfuhr. Die Geometrie des Fräsers kann feine Späne erzeugen, die Spanabfuhr muss jedoch nicht unbedingt vom Werkzeug selbst durchgeführt werden. Beim vertikalen Fräsen und einigen horizontalen Fräsvorgängen kann ein Luftspäneblasen erforderlich sein.
Anwendung von austauschbaren Kronenbohrern bei der Bearbeitung großer Löcher
Auswechselbare Kronenbohrer können auch zum Bearbeiten großer Löcher verwendet werden und benötigen weniger Leistung als geriffelte Bohrer. Aufgrund ihrer einzigartigen Geometrie schneiden die Kronen sehr effizient und der Durchmesser der Bohrstange ist kleiner als der Kronendurchmesser, was das Entfernen von Spänen erleichtert und die Reibung verringert. Darüber hinaus hält die robuste Bohrstange aus legiertem Stahl den bei leichten Werkzeugmaschinen üblichen Vibrationen und Werkzeugverformungen stand, während Vollhartmetallbohrer durch Vibrationen und Verformungen leicht beschädigt werden.
Wechselkronenbohrer werden vor allem in der Großserienfertigung eingesetzt, um das Umrüsten von Werkzeugmaschinen und große Lagerbestände an unterschiedlichen Vollhartmetallbohrern zu vermeiden. Durch ihre effizientere Schneidengeometrie und zähere Bohrstange steigern sie die Wertschöpfung bei Bohroperationen mit geringerer Leistung.
Um die Effizienz der Hochgeschwindigkeits-/Niedrigleistungsbearbeitung zu verbessern, achten Sie bei der Auswahl von Fräs- und Bohrwerkzeugen nicht nur auf die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (Spindeldrehzahl), sondern auch darauf, dass die Werkzeuge für die eigentliche Bearbeitung geeignet sind. Neben der Sicherheit der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gibt es noch weitere Vorteile. Wählen Sie beim Fräsen eine Werkzeuggeometrie mit „komplett freiem Schneiden“ (Fräser mit doppelt positivem Spanwinkel und spiralförmiger Schneide) und verwenden Sie Werkzeuge mit guter thermischer Härte. Erwägen Sie beim Bohren Spiralfräsen zum Bearbeiten großer Löcher. Versuchen Sie es für allgemeine Bohrarbeiten mit einem auswechselbaren Kronenbohrer mit einer Bohrstange aus hochfestem legiertem Stahl, um das Brechen von Vollhartmetallbohrern bei instabilen Installationsbedingungen zu vermeiden. Auswechselbare Kronenbohrer können die Metallentfernungsrate erhöhen und leichte Werkzeugmaschinen und Werkzeuge schützen, während gleichzeitig Verarbeitungsleistung gespart wird.
