CAD-CAM-System der Zukunft

Bei der Stahl- und Gussbearbeitung wird derzeit in Deutschland immer häufiger das Hochgeschwindigkeitsfräsen als Schlichtbearbeitungsverfahren im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt. Das dabei entstehende Rillenprofil muss in der Regel manuell geglättet

Von Hochgeschwindigkeitsfräsen spricht man, wenn die Schnittgeschwindigkeiten etwa um den Faktor 5 bis 10 höher als im konventionellen Bereich liegen. Die absoluten Werte sind jedoch werkstoffabhängig. Aufgrund der hohen Drehzahlen bei der HSC-Bearbeitung sind entsprechend hohe Vorschubgeschwindigkeiten notwendig. Somit erweitert sich die Definition von HSC für den Werkzeug- und Formenbau um die Faktoren hohe Werkzeugdrehzahlen verbunden mit hohen Vorschubgeschwindigkeiten.
 Allerdings ist HSC viel mehr als nur eine Veränderung von Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit. Es ist sehr wichtig, dass Bearbeitungsstrategie, -technologie, An- und Abfahrbewegungen angepasst werden. Weiterhin ist darauf zu achten, dass starke Richtungsänderungen und ein häufiges Abbremsen und Beschleunigen vermieden werden, da dies entscheidende Faktoren für die Wirtschaftlichkeit und Effektivität der HSC-Bearbeitung sind. Es zeigt sich auch vermehrt der Einfluss von Spindel, Werkzeug und Maschine auf die Werkstückoberfläche. Darum ist für die optimierte HSC-Bearbeitung ein aufeinander abgestimmtes Gesamtsystem (CAx – Technologie – Maschine – Werkzeug) von großer Wichtigkeit. Dem CAM-System kommt dabei eine Schlüsselstellung zu, da es die Faktoren Technologie, Maschine und Werkzeug kombiniert, die Bearbeitung festlegt und Schwächen der Maschine ausgleichen kann.
 Durch die Verkürzung der Hauptzeiten der Bearbeitung wird eine schnelle Programmierung immer wichtiger, damit sich die NC-Programmerzeugung im Unternehmen nicht zu einem Engpass in der Prozesskette entwickelt.
 Die wichtigste Anforderung an ein CAM-System ist die schnelle Erzeugung zuverlässiger Werkzeugbahnen. Gerade bei der HSC-Bearbeitung hat der Maschinenbediener aufgrund der schnellen Vorschubbewegungen keine Möglichkeit mehr, in kritischen Situationen die Maschine zu stoppen. Fehlerhafte NC-Programme können so zu Schädigungen der Maschine, des Bauteils oder zu Verletzungen des Bedieners führen. Für das CAM-System bedeutet das, dass die zur Bahnerzeugung benutzten Algorithmen sehr stabil sein und Bauteilbeschädigungen erkannt und eliminiert werden müssen. Außerdem ist auf jeden Fall eine Kollisionskontrolle durchzuführen. Darüber hinaus müssen die Bahnen auch visuell überprüfbar sein, falls Ergebnisse – wie in Bild b verdeutlicht – vom CAM-System generiert werden.
 Einerseits zeigen die Bahnen enorme Richtungswechsel. An den Ecken muss die Maschine aufgrund der abrupten Richtungsänderung sehr stark abbremsen und dann wieder beschleunigen. Dies führt zu einer Verlangsamung der Bearbeitung. Treten diese Richtungswechsel kurz hintereinander auf, kann es unter Umständen zu einer Schwingungsanregung der Maschine kommen. Um die Möglichkeiten der Maschine voll ausschöpfen und eine kontinuierliche Geschwindigkeit umsetzen zu können, sollten die Bahnen verrundet sein. Diese Verrundungen beziehen sich sowohl auf die Werkzeugbahnen als auch auf die Zustellungen und die Eilgangbewegungen.
 Andererseits sind einige Bahnen nicht glatt, sondern haben eine Zackenstruktur. Diese Zacken sind meist so klein, dass sie innerhalb der Maßgenauigkeit des Bauteils liegen, beeinflussen aber die Oberflächenqualität dadurch, dass solche Verfahrwege die Maschine entweder zu Schwingungen anregen oder sehr stark abbremsen. Gerade in kritischen Bearbeitungsbereichen können solche Bahnen bei CAM-Systemen durch den mathematischen Algorithmus entstehen, da das Geometrieverhalten eine aufwändige Berechnung der Bahnen erfordert. Häufig entsteht die Zackenstruktur auch dadurch, dass das Toleranzband für die Lage der Bahn zu groß gewählt ist. Dann endet eine Bahn am unteren Limit der Toleranz und die nächste beginnt am oberen Limit. Dadurch entsteht eine winzige Stufe, die das Maschinenverhalten beeinflusst und eine schlechte Oberflächenstruktur erzeugen kann.
 Wichtig ist, wenig Interpolationspunkte zu benutzen, da diese Richtungsänderungen markieren, die auf der Oberfläche des Bauteils sichtbar sind. Besonders kritisch wird es, wenn ein Kreis durch Linien angenähert wird. Dabei entstehen kleine Segmente mit vielen Richtungsänderungen, inklusive vieler Beschleunigungs- und Abbremsbewegungen. Durch die Verwendung von Kreis- oder Nurbs-Interpolation können mit Hilfe gleichmäßiger Bewegungen bessere Ergebnisse erzielt werden. Weiterhin entsteht durch die Interpolationspunkte eine Oberflächenstruktur, die nicht erwünscht ist und manuell nachbearbeitet werden muss. Neben dem Einsatz von Kreis- oder Nurbs-Interpolation lässt sich dieser Effekt auch durch eine gleichmäßige Verteilung der Punkte auf den Werkzeugbahnen – insbesondere wenn diese parallel sind – minimieren. Die Verwendung anderer Interpolationsmethoden hilft auch, die großen Datenmengen im Werkzeug- und Formenbau,
die durch die engeren Zeilenbreiten entstehen, besser in den Griff zu bekommen. Damit lässt sich eine schnellere Abarbeitung in der Maschinensteuerung ermöglichen, wodurch wiederum die Bearbeitung beschleunigt wird.
 Wesentlich für die HSC-Bearbeitung ist das Erkennen von kritischen Bereichen, insbesondere Hohlkehlen, steilen Abschnitten und tiefen Taschen, weil es gerade dort zu Kollisionen kommen und Restmaterial vorhanden sein kann. Auch müssen solch kritischen Bereichen spezifische Schnittstrategien zugeordnet werden, um das beste Bearbeitungsergebnis zu erzielen. Abhängig davon, ob die schnellstmögliche Bearbeitung oder die prozesssicherste Bearbeitung eingesetzt werden soll, müssen verschiedene Strategien angewendet werden, die auch jeweils im CAM-System verfügbar sein sollten. In Bild d sind diejenigen Zustell- und Vorschubbewegungen eines angestellten Fräswerkzeugs dargestellt, mit denen man eine Hohlkehle am besten bearbeiten kann.
 Die HSC-Bearbeitung erfordert vom CAM-Programmierer stets aktuelles Know-how.
Für den Anwender ist es schwierig, immer die
neuesten optimalen Schnittparameter oder die besten Strategien zu wissen. Auch ein Testen verschiedener Parameter und Einstellungen ist aus Kosten- und Zeitgründen meist nicht möglich. Am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt, das seit über 20 Jahren im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung führend forscht, wird der Prototyp eines neuen CAM-Systems entwickelt, der wichtige HSC-Zusatzinformationen für den Anwender im CAM-System integriert. Dies geht wesentlich weiter, als nur die optimalen Schnittparameter und Strategien bereitzustellen, es integriert auch wichtige Informationen zum Maschinen- und Werkzeugverhalten. Um die Maschine optimal nutzen zu können, muss das CAM-System die Bahngenerierung auf die Maschine abstimmen. Gibt es zum Beispiel eine sehr Ø
× träge Achse (beispielsweise großer Fahrständer), müssen die Werkzeugbahnen so optimiert werden, dass dieser Achse entweder eine möglichst konstante Geschwindigkeit oder nur sehr kleine Bewegungen zugeordnet werden.
 Zur richtigen Auswahl der Werkzeuge ist es wichtig zu wissen, welches Werkstückmaterial mit welchem Schneidstoff oder welcher Werkzeugbeschichtung am besten bearbeitet werden kann und wo die sicheren Einsatzgrenzen dieses Werkzeugs liegen. Auch ist es von Vorteil, wenn die Geometrie des Bauteils untersucht und aufgrund der Analyse der Krümmungsradien die Werkzeuggeometrie berechnet wird, die die wirtschaftlichste Bearbeitung des Bauteils ermöglicht. Diese und weitere Informationen sind für den CAM-Nutzer notwendig, um das optimale HSC-NC-Programm erzeugen zu können. Dies wird in einem HSC-Feature definiert, das neben Geometrieinformationen noch wichtiges HSC-Wissen zur Verfügung stellt.
 Das CAM-System der Zukunft informiert den Anwender gezielt über die wichtigsten Parameter und über kritische Bereiche des Bauteile (Hohlkehlen, tiefe Kavitäten, ...). Dazu werden im Prototyp des PTW den Geometriebereichen eines Bauteils die optimale HSC-Strategie, das beste Werkzeug und die entsprechenden Technologieparameter zugeordnet. Dabei greift das System bei der Auswahl auf die in zahlreichen Zerspanversuchen erzielten Ergebnisse zurück. Das bedeutet, dass immer die aktuellsten Forschungsergebnisse abrufbar sind und mit optimalen HSC-Parametern und
Schnittstrategien bearbeitet werden kann. Durch Erweiterung auf die erwähnten HSC-Features können auch die Einsatzgrenzen von Werk-
zeugen, der Verschleiß und das Maschinenverhalten von vornherein betrachtet werden.
 Im Bild oben werden für die Schlichtbearbeitung des Wulstes (weiß) die wichtigsten Informationen in einem eigenen Fenster zur Verfügung gestellt. Dabei handelt es sich um die richtigen An-, Abfahr- und Bearbeitungsstrategien, das richtige Werkzeug (Form, Schneidstoff, Beschichtung, Durchmesser, Eckenradius, Auskraglänge und Zähnezahl), die optimalen Technologiedaten, wie beispielsweise Schnittgeschwindigkeit, Zahnvorschub, Schnitttiefe und Zeilenbreite, und die Maschinenparameter wie Spindeldrehzahl und Vorschub. Diese Informationen geben dem CAM-Programmierer die besten Parameter für die HSC-Bearbeitung dieses Geometrieelementes vor und macht die Programmierung in Zukunft sicherer, einfacher und effizienter.