Verschleißfrei mit Trochoiden-Routine

Eine schwierige Bearbeitungsaufgabe haben der Maschinenhersteller OKK, Werkzeug-Spezialist U.S. Union Tool und die Software-Experten von DP Technology gelöst. Ergebnis: Das Trochoiden-Fräsen verringert die beim Spanen entstehenden Belastungen und Wärmentwicklungen – und das mit einem Scheibenfräser mit viermal höherem Vorschub in HRC 50.

Das Spanen schmaler Taschen in gehärtetem Stahl ist seit langem eine der schwierigsten Bearbeitungsaufgaben. Ein Problem besteht dabei darin, dass ein großer Teil des Werkzeugs ständig in Eingriff mit dem Werkstück ist, so dass die Spankräfte und die Wärmentwicklung hoch sind. Eine weitere Schwierigkeit ergibt sich durch die Tatsache, dass die Spanlast ungleichmäßig ist. An dem Punkt, an dem der Fräser am weitesten in das Werkstück eingedrungen ist, liegt sie am höchsten, in anderen Bereichen niedriger. Da der Fräser außerdem die Breite der Tasche zum Großteil ausfüllt, ist nur wenig Platz zum Entfernen der Späne, sodass die Gefahr eines erneuten Schneidens der Späne groß ist. Fazit: Die Bearbeitung von Schlitzen stellt eine große Herausforderung dar. Dies gilt noch umso mehr, wenn die Schlitze im Verhältnis zu ihrer Breite relativ tief sind, da es dann noch schwieriger wird, die Späne zu entfernen. Eine weitere Steigerung ergibt sich bei gebogenen Schlitzen, die das Austragen der Späne noch mehr erschweren. Weitere Probleme treten beim Bearbeiten eines Werkstücks aus gehärtetem Stahl auf. All diese Schwierigkeiten machen es normalerweise notwendig, bei der Bearbeitung von Schlitzen mit sehr niedrigen Werten für Vorschub und Schnitttiefe zu arbeiten, um einen vorzeitigen Ausfall des Fräsers zu verhindern. Doch auch bei geringem Vorschub ist die Lebensdauer des Werkzeugs eher kurz. Die Trochoiden-Bearbeitung bietet sich als potenzielle Lösung für dieses Problem an. Die Grundidee besteht darin, den Fräser kreisförmig zu bewegen, wobei jeder Kreis weiter in den Schnitt eindringt. Eine Trochoide ist eine Kurve, die ein mit einem Kreis fest verknüpfter Punkt beim Abrollen dieses Kreises beschreibt. So ergibt sich der Name Trochoiden-Bearbeitung. Ein wesentlicher Vorteil der Trochoiden-Bearbeitung liegt darin, dass immer nur ein kleiner Bereich des Fräsers in Eingriff ist. Der Vorschub bleibt immer konstant. Bei der Trochoiden-Bearbeitung ist es möglich, einen Schaftfräser einzusetzen, der weniger breit als die Tasche ist, so dass genügend Platz für das Austragen der Späne bleibt. Trotz seines Potenzials gibt es bei der Trochoiden-Bearbeitung allerdings einige Probleme. Der Fräser führt eine überaus komplizierte Bewegung aus, die die Fähigkeiten herkömmlicher Programmierungssoftware für CNC-Maschinen übersteigt. Die Werkzeugmaschine muss sehr steif ausgeführt und sehr schnell sein, damit die Vorteile der Trochoiden-Bearbeitung genutzt werden können. Auch der Fräser muss mit hoher Drehzahl einsetzbar und für das zu spanende Material geeignet sein. OKK, ein Werkzeugmaschinenhersteller, U.S. Union Tool, ein Hersteller von Schneidwerkzeugen, sowie DP Technology, ein Entwickler von CNC-Software, arbeiteten gemeinsam an einer Lösung dieses Problems. Als Ausgangspunkt entwarfen sie ein sehr kompliziertes Werkstück. Es besitzt wellenförmige Schlitze mit einer Breite von 12 mm und einer Tiefe von 20 mm. Aufgrund der Tiefe der Schlitze und der Wellenform ist das Entfernen von Spänen besonders schwierig. Eine weitere Erschwernis ist der zähe Stahl P20, der als Werkstoff verwendet wurde. „Mit herkömmlichen Fräsverfahren wäre dieses Teil extrem schwer zu bearbeiten“, meinte Jonathan Hay, VP Sales and Marketing bei U.S. Union Tool. „Im ersten Schritt wählten wir das Bearbeitungszentrum aus dem breiten Sortiment von OKK“, erläuterte Richard Klein, Applications Manager bei OKK USA Corp aus Glendale Heights, Illinois. „Die Grundidee der Trochoiden-Bearbeitung bedingt erheblich höhere Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubwerte. Die VM5III ist eine Hochleistungs-Vertikalmaschine, die mit einem Palettenwechsler ausgestattet werden kann. Sie erreicht je nach Spindelkonfiguration Spindeldrehzahlen von bis zu 20.000 min-1.“ Danach stand die Auswahl des Fräsers an. „Wir entschieden uns für einen viernutigen Schaftfräser CZS mit 10 mm Durchmesser und einer UT-Beschichtung auf Chrom-Basis“, erklärte Hay. „Diese Werkzeuge sind speziell für die Bearbeitung von gehärteten Stählen bis zu einer Rockwell-Härte von 50 HRC gedacht. Außerdem besitzt der CZS eine Bohrgeometrie an der Spitze, so dass man mit ihm einen Schlitz oder eine Tasche spanen kann, ohne ein Anfangsloch bohren zu müssen.“ DP Technology stellte die CNC-Bearbeitungssoftware Esprit Mold bereit, die 20 verschiedene Frässtrategien von 2½ bis 5 Achsen für optimierte Werkzeugbahnen bietet. Das konzentrische Schruppen in der Z-Ebene umfasst beispielsweise ein Abrunden von scharfen Winkeln sowie fließende Stepover mit einem Sehnenvorschub, um gerade Bahnen zu vermeiden. So ist in allen Situationen ein Gleichlauffräsen möglich. Die Werkzeugbahn wird anhand der Ergebnisse der vorherigen Maschinenzyklen optimiert. Luftschnitte fallen damit weg, Rückzugsbewegungen werden auf ein Mindestmaß reduziert. Die Nachschrupp-Funktion von Esprit Mold ermöglicht die Nachbearbeitung vorher bereits gespanter Bereiche des Modells. Es wird ein konstantes Volumen von Restmaterial erzielt. Herkömmliche CNC-Programmierungssoftware kann keine Programme für das Trochoiden-Fräsen erstellen. Sollte früher mit Trochoiden-Fräsen gearbeitet werden, musste der Programmierer zwangsläufig manuell die überaus komplexen Werkzeugbewegungen codieren. Das ist eine sehr knifflige Aufgabe, und der Programmierer hat keine Möglichkeit, das Programm vor der Ausführung auf der Maschine visuell zu prüfen. Aus diesem Grund wird die Trochoiden-Bearbeitung derzeit nur sehr selten eingesetzt. Vor kurzem nahm DP Technology eine spezielle Routine für das Trochoiden-Fräsen in die Software Esprit Mold auf. Diese Routine beschleunigt die Erstellung eines CNC-Programms für die Trochoiden-Bearbeitung erheblich. Sie verschafft dem Programmierer außerdem Zugang zu den vielen weiteren Funktionen von Esprit Mold, wie die Möglichkeit, den Spanvorgang grafisch zu simulieren. Der Benutzer definiert einfach das Volumenmodell des zu spanenden Bauteils, indem er entweder die native CAD-Geometrie aus einem gängigen CAD-System importiert oder die integrierten geometrischen Editier-Werkzeuge von Esprit Mold nutzt. Der Benutzer wählt dann ‚Trochoiden-Fräsen’ und wird aufgefordert, den Durchmesser des Kreises sowie die Zustellung pro Auflösung anzugeben. Die Software erzeugt daraufhin das Programm für die Bearbeitung des Bauteils. „Die Programmierung des Teils dauerte nur 30 Minuten“, freute sich Richard Klein. „Wir gaben nur ein paar Parameter ein, und die Software erledigte hinter den Kulissen die gesamte Arbeit. Wir stellten eine Spindeldrehzahl von 1500 min-1 und einen Vorschub von 384 mm pro Minute ein. Zur Verbesserung der Werkstückform experimentierten wir mit Werkzeugen verschiedener Radien. Mit den Simulations- und Überprüfungsfunktionen von Esprit Mold renderten wir den gesamten Spanvorgang lebensecht.“ Die Simulation ist nicht auf simple grafische Effekte beschränkt, sondern bietet die erweiterte Erkennung von nicht erreichbaren Achsen, Positionen oder Kollisionen der beweglichen Maschinenteile, des Werkzeugs und seiner Spannelemente sowie des herzustellenden Werkstücks. „Mit dem Trochoiden-Fräsen ergab sich eine beträchtliche Produktivitätsverbesserung beim Fräsen von Schlitzen“, fügte Hay hinzu. „Üblicherweise wird beim Fräsen eines Schlitzes der Vorschub auf etwa 20 Prozent des Wertes eingestellt, der mit Scheibenfräsern möglich ist. Mit dem Trochoiden-Fräsen konnten wir das auf 80 Prozent des normalen Vorschubs für Scheibenfräser steigern. Außerdem wird beim Schlitzfräsen normalerweise eine Schnitttiefe von 2 oder 3 Millimetern verwendet, sodass für das Werkstück mindestens sechs Durchgänge erforderlich gewesen wären. In diesem Fall konnten wir mit einer Tiefe von 10 mm arbeiten, was nur zwei Durchgänge nötig machte. Endresultat war, dass wir das Bauteil in nur 37 Minuten und 42 Sekunden spanen konnten, etwa 12 Mal schneller als mit herkömmlichen Verfahren.“ „Dieses Einsatzbeispiel zeigt deutlich, wie das Trochoiden-Fräsen die beim Spanen entstehenden Belastungen und die Wärmeentwicklung verringert“, schloss Richard Klein. „Obwohl wir mit viel höheren Drehzahlen und Vorschubwerten als beim normalen Schlitzfräsen arbeiteten, war der Verschleiß am Fräser sehr gering. Ausschlaggebend dafür ist, dass beim Trochoiden-Fräsen die Last auf das Schneidwerkzeug sehr gleichmäßig bleibt und eine einfache Spanabfuhr möglich ist. Dadurch dass immer nur eine Seite des Schaftfräsers Kontakt mit dem Werkstück hat, verringern sich Spankräfte und Wärmentwicklung. Beim Schlitzfräsen ist es normalerweise überaus schwierig, das Werkzeug ausreichend kühl zu halten. In diesem Anwendungsfall setzten wir nur Luftkühlung ein, um zu zeigen, wie sehr das Trochoiden-Fräsen Spankräfte und Wärmentwicklung verringert. Im Rahmen unserer Demonstration stellten wir sechs Teile mit einem einzigen Werkzeug her, ohne dass am Werkzeug Verschleiß erkennbar war. Diese Demonstration bewies eindrucksvoll die Vorteile des Trochoiden-Fräsens und sein Potenzial für die Steigerung der Produktivität beim Schlitzfräsen.“

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