HSC-Bearbeitung auf Universalmaschinen ¿ geht das?

Der Siegeszug der HSC-Frästechnologie hat längst stattgefunden. Die Vorteile sind überzeugend, ganze Arbeitsgänge oder Nachbearbeitungen können eingespart werden. Trotzdem haftet bis heute dem HSC-Fräsen mit den dazugehörenden Maschinen der Status einer Sonderstellung innerhalb der Fertigungsprozesse an. Weitverbreitet ist immer noch die Meinung, dass ausschließlich Special-HSC-Maschinen eingesetzt werden müssen; in Kauf genommen wird dabei sogar die eingeschränkte Flexibilität derselben. Auch beim Material macht man Abstriche. Spätes-tens jetzt stellt sich die Frage: Unter welchen Voraussetzungen sind auf Universalmaschinen bei voller Nutzung der Maschinen-flexibiltät HSC-Fräsbearbeitungen möglich?

Die HSC-Frästechnologie hat sich längst durchgesetzt. Vorteile wie Redu-zierung von Fertigungszeiten bei Gewinn höherer Qualität in Form verbesserter Maßhaltigkeit und geringsten Solloberflächen-Abweichungen sprechen für sich. Die verminderten Zerspanungskräfte und die Einsparung von Kühlschmiermittel kommen der Ressoucenschonung zugute und zu-dem können ganze Arbeitsgänge oder Nachbearbeitungen bei der HSC-Fräs-fertigung eingespart werden. Außerdem sind die heutigen Universalmaschinen nach dem modernsten Stand der Technik ausgeführt. Die tech- nischen Daten der so genannten Universalmaschinen haben in letzter Zeit die Grenze der für das HSC-Fräsen definierten Prozessparameter erreicht:
³ Die modernen Universalmaschinen sind insgesamt dynamischer gewor-den. Standard-Drehzahlen bis 24000 U/min für eine HSK 63-Spindel sind nichts außergewöhnliches mehr, integrierte Motorspindeln mit wartungsfreien Hybridlagerungen bieten dafür die Voraussetzungen. Mit modernen Werkzeugen werden Schnittgeschwindigkeiten von 500 m/min und mehr möglich, der bisher definierte HSC-Grenzwert ist damit erreicht. In die Universalmaschinen optional einwechselbare Hauptspindeln erreichen bei 30000 U/min mit HSK50-Werkzeugen Schnittgeschwindigkeiten um 1000 m/min.
³ Die Hauptspindeln mit den genannten maxi-malen Drehzahlwerten halten bei normalen Betriebsbedingungen mindestens 4000 Betriebsstunden wartungsfrei alle Nennparameter. Die hohe dynamische Steife moderner Universalmaschinen erlaubt einen schwingungsfreien Betrieb. Resonanzfrequenzen treten nicht auf, Einsatz gewuchteter Werkzeuge vorausgesetzt.
³ Dynamische Universalmaschinen mit Beschleunigungswerten um die 5 m/s2 in Verbindung mit einer optimalen Ruckbegrenzung sind inzwischen Standard geworden. Damit er-reichbare Fräs-Bahngeschwindigkeiten von 2 bis 5 m/min gehören in den Bereich des mit 2 bis 20 m/min-Werten so definierten HSC-Fräsens.
³ Die Rundlauftoleranzen der Hauptspindeln mit immer häufiger eingesetzten Kurzkegelaufnahmen und Positionier-Toleranzen der Vorschub-achsen an Universalmaschinen sind ebenfalls besser als in den ¿Gründerjahren¿ der HSC-Tech-nologie. Rundlaufabweichung kleiner 10 µm am zirkular gefrästen NAS-Teil oder Positionstoleranzen von PS max. um 5 µm sind heute übliche Werte. Die Abgrenzung zur Gattung so genannter ¿Lehrenbohrwerke¿ gestaltet sich damit fließend.
³ Der Verbund Universalmaschine mit CNC-Achssteuerung ermöglicht Genauigkeitsverbesserungen durch Kompensation von Umkehrspannen und Mittenversätzen. Die kinematische Kette zwischen Werkzeug und Werkstück an der Universalmaschine ist unter Mitwirkung des An-wenders optimierbar. Umfangreiche Kühlmaßnahmen für Haupt- und neuerdings auch Vor- schubantriebe sowie Kompensation der Temperatureinflüsse kommen als genauigkeitsfördernde Maschinenfeatures hinzu. Temperatureinflüsse können zusätzlich in Verbindung mit Laservermessung der rotierenden Werkzeuge sogar unter Berücksichtigung der Fliehkrafteinflüsse am schnell rotierenden Werkzeug erfasst werden.
³ Die lnterpolationsfrequenzen moderner CNC's ermöglichen heute Satzverarbeitungszeiten von 0,5 ms und weniger, bei Einführung des HSC-Fräsens waren solche Werte nur speziell ausgelegten Steuerungen vorbehalten. Mit zum Beispiel 100 Look ahead-Sätzen und dem Tool Cen- ter Point Management für die 3D-Bearbeitung mit angestelltem Werkzeug lässt sich ein vorschuboptimiertes Bahngeschwindigkeitsprofil erzeugen, was zu geringeren Abweichungen von der Sollkontur beim ¿Abzeilen¿ führt.
³ Die Gestaltung der vom Bediener mittels Kabinentüren verschließbaren Arbeitsräume ist hinsichtlich des Flusses und der Beseitigung der bei HSC vermehrt anfallenden Späne optimiert. Zunehmend kann auf den Einsatz von Kühlschmiermittel verzichtet werden.
³ Durch Einsatz neuartiger Werkzeugmaterialien und Geometrien lassen sich die Zerspanparameter verbessern: So erreicht man mit cermet-beschichteten TiAIN-Schneidwerkstoffen bei max. 18000 U/min Spindeldrehzahl auf Uni-versalmaschinen Schnittgeschwindigkeitswerte von 600 m/min bei 5m/min Vorschub in vergütetem Werkzeugstahl als Zerspanungsmaterial.
 Bei flexiblen Universalmaschinen ist die 5-Seiten- und 5-Achs-Fräsbearbeitung in einer Aufspannung für eine weitgehende Komplettbearbeitung zum Standard-Maschinenmerkmal geworden. Die Maschinen werden nicht nur Ø
×  flexibel sondern inzwischen auch produktiv eingesetzt. Die Anzahl verfügbarer Maschinenoptionen ist gegenwärtig fast bis zur Unübersichtlichkeit für den Anwender gewachsen. Bei der Einsatzplanung ist damit eine sehr gute Maschinen-Anpassung an den jeweiligen Bearbeitungsfall gegeben, neue Einsatzgebiete für Universalmaschinen lassen sich erschließen. Ein Beispiel ist die produktive Bearbeitung hochfester Werkstückmaterialien mit anspruchsvoller Werkstückgeometrie. Unter anderem können Turbinenteile in mittleren Stückzahlen pro Los auf modernen Universalmaschinen effektiv gefertigt werden.
 Andererseits werden heute im Werkzeug- und Formenbau rationelle ¿ heißt flexibel und gleichzeitig produktive ¿ Maschinen auf breiter Front eingesetzt. Oft müssen die Universalmaschinen auch rüstzeitfrei arbeiten können. Die Werkstück-Palletierung mit automatisiertem Palettentransport und Speichereinrichtungen auch für mehrere, unterschiedliche Werkstücke wird unabhängig von der ¿HSC-Fähigkeit¿ der Universalmaschine in der Praxis über längere Fertigungszeiträume eingesetzt. In diesem Rahmen haben sich ebenso die Vorrausetzungen für die Ausführung von HSC-Fräsbearbeitungen auf Universalmaschinen weiter entwickelt. Wenn auch nicht in jedem Fall die nach der klassischen Definition des HSC-Fräsens optimalen Technologieparameter erreicht werden; die Ein-sparung von Neben- und Rüstzeiten, die an modernen Universalmaschinen durch beispielsweise schnellen Werkeug- und Palettenwechsel oder kurze Positionierzeiten möglich ist, macht in der Regel die nicht immer nach HSC-Kriterien optimalen Hauptzeitwerte wett.
 Ein weiterer Vorteil der für den modernen aber flexiblen Fertigungs-einsatz konzipierten Universalmaschinen gegenüber den reinrassigen HSC-Maschinen ist deren uneingeschränkte Tauglichkeit bei der Vorbearbeitung, wie beispielsweise beim Schruppfräsen. Vorfräsen findet auf den Universalmaschinen in der Regel in der gleichen Aufspannung wie die Finish-Bearbeitung statt. Moderne Motorspindeln für HSK 63 bringen es auf 30 kW Leistung, bei den HSK 100 Motorspindeln sind 44 kW ein Standard-Leistungswert. Gleichzeitig ist genug Drehmoment für die Vor-bearbeitung vorhanden. Die Tendenz zu steigenden Leistungswerten bei gleichbleibenden Spindel-Hochlaufzeiten inklusive verstärktem Elektronik-Einsatz in den Universalmaschinen hält weiter an.
 Anschließend einige Fräsbeispiele auf Universalmaschinen, die den Nachweis der HSC-Tauglichkeit erbringen sollen. Selbstverständlich erheben diese Beispiele keinen Anspruch auf das Erreichen optimal möglicher HSC-Schnittparameter für den jeweiligen Bearbeitungsfall.

Beispiel Nr. 1:
Alle auf Seite 20 gezeigten Formenbau-Beispiele einschließlich eines medizinischen Implantats wurden auf preisgünstigen Deckel-Maho-Monoblockmaschinen vorzugsweise mit 630 mm Längsweg gefertigt. Obwohl diese Maschinenreihe als ¿Einstiegsmaschinen¿ bezeichnet werden, lassen sie sich zu Maschinen mit integrierten 5 Achsen konfigurieren. Sie sind zusätzlich durch 30 m/min-Eilgang mit Beschleunigungswerten um die 5 m/s2 auch produktiv genug. An erzielbaren Genauigkeitswerten stehen die
Monoblockmaschinen den vergleichbar großen Fahrständermaschinen in nichts nach, besitzen sie doch gleiche Antriebs- und Steuerungsbaugruppen und der Monoblock sorgt für eine hohe statische und dynamische Maschinensteife. Hauptantriebe und Schaltschränke werden im Standard bereits gekühlt und die modernsten ITNC 530 oder MillPlus IT-CNC sind wahlweise an Bord. Sind die Maschinen aber unter den genannten Einschränkungen zum ¿HSC-Fräsen¿ geeignet¿?
 Die Werkstoffe der demonstrierten Fertigungsbeispiele sind Vergütungsstähle mit mindestens HRC 54 Härte. Die Maschinen-CNC ist mit Tool Center Point Management und B-Achszyklus ausgerüstet und ermöglicht ein optimales Anstellen der HSC-Schlichtwerkzeuge. Die Spindel mit Drehzahlen bis 18000 m/min erreicht mittels Hartmetall-Radiusfräser von 5 mm Ø eine Vorschubgeschwindigkeit von 3,5 m/min, sicher ein Wert im ¿unteren¿ HSC-Bereich. Aber alle gezeigten Formen einschließlich des Implantates wurden durch B-Achseinsatz unter Einsparungen zusätzlicher Umspannvorgänge in der Dauer einer Schicht komplett erzeugt. Und das mit sehr guten Oberflächen an den komplett gefrästen Werkstücken, wenn auch die Nassbearbeitung zu den geringeren Rautiefen führte. Wärmeverzüge an den Fertigteilen oder qualitativ sich auswirkende Maschinenerwärmungen konnten ebenfalls vermieden werden. Zum Vergleich: Bisher eingesetzte konventionelle 3-Achsmaschinen brauchten etwa die dreifache Zeit. Zusätzliches Umspannen führte im Vergleich dabei zu zusätzlichen Nebenzeiten und zu Qualitätseinbußen.

Beispiel Nr. 2:
Ausgeführt auf Universalmaschinen in Fahrständerbauweise. Dabei geht es zum einen um ein Schmiedegesenk, das auf einer dreischichtig eingesetzten Universalmaschine mit Palettenwechsler gefertigt worden ist. Bei diesen Fahrständer-maschinen mit bis 5 NC-Achsen werden inzwischen Eilgangswerte von 50 m/min und mehr ¿ was eben Kugelrollantriebe dauerhaft hergeben ¿ bei Beschleunigungswerten um die 5 m/s2 realisiert. Das wirkt zwar im Vergleich zu reinen HSC-Maschinen immer noch etwas ¿dürftig¿. Aber Neben-zeitersparnisse durch 5-Achseinsatz in Verbindung mit schnellen Werkzeug- oder Palettenwechseln gleichen die bei reinen HSC-Maschinen erzielbaren Hauptzeitersparnisse aus. Die Hauptspindel rotiert bis 18000 U/min bei max. 28 kW Leistungsabgabe. Durch optimales Anstellen der HSC-tauglichen Schlichtwerkzeuge an die Werkstückoberfläche werden sehr gute Oberflächen erzeugt, größere Auskraglängen der Werkzeuge lassen sich vermeiden. Die Komplettfertigung der Form dauert mit 8 Stunden etwa eine Schicht, die erzielten Vorschubgeschwindigkeiten liegen beim Schlichten nicht unter 2,2 m/min. Die erzielte Konturtreue am Werkstück ist hoch, nicht zuletzt auch wegen der absoluten Spielfreiheit und der optimierten kinematischen Kette in den Universalmaschinen.
 Zum anderen handelt es sich um ein Hydro-Umformwerkzeug, das statt in bisher 45 Stunden in knapp 35 Stunden erzeugt wurde. Davon entfielen 20 Stunden auf das 100 MB-lange Schlichtprogramm in der zweiten Aufspannung. Eine dritte Spannung konnte völlig eingespart werden. Vertikale und horizontale ¿ auch tiefere Bohrungen ¿ wurden durch Fräskopfschwenken erzeugt. Die ausreichende Zerspanungsleistungen, in dem Fall waren es 44 KW auf einer Fahrständermaschine mit 1250 mm Längsweg, ergaben kurze Fertigungszeiten, obwohl das Formenmaterial nach dem Schruppen auf 1280 N/mm2 Festigkeit vergütet worden war. Durch gezieltes Fräskopfanstellen konnten die schrägen Außenflächen sogar mit speziellen Stirnfräsern erzeugt werden. Die Universalität der Maschine zahlte sich aus.

Beispiel Nr. 3:
Hier wurde ein Schmiedegesenk aus vergütetem Stahl St 1.2714 auf einer Portal-Universalfräsmaschine komplett gefertigt. Diese besitzt bei 2000 mm Querweg einen B-Achsen-Fräskopf mit 44-kW-Standardspindel für max. 10 OOO U/min (HSK 100-Werkzeuge) und zusätzlich eine
einwechselbare 11-kW-Vorsatzspindel mit
max. 30 000 U/min für HSK 50-HSC-Werkzeuge. Alle senkrechten Formenwände konnten durch Schrägstellung der Werkzeugachse ohne Um-spannen mit relativ kurzen Standardwerkzeugen bearbeitet werden.
 Das HSC-Schlichten mit der Vorsatzspindel führte durch die optimale Fräserneigung zur Werkstückoberfläche zum Wegfall von Nacharbeit. Die erzielte Maßhaltigkeit und Oberflächengüte erfüllte alle Kundenerwartungen. Der gravierende Vorteil der Universalmaschine ist die Ausführung des Schruppens und HSO-Schlichtens auf ein und derselben Maschine ohne jedes Umspannen, was zu einer Fertigungszeit von 28,5 Stunden für das Schmiedegesenk führte. Natürlich spielen dabei auch die bis 60 m/min schnellen Eilgänge der Portalmaschine in Verbindung mit der eingesetzten fünften Achse eine Rolle. Die bisherige Fertigung erfolgte auf einem horizontalen Maschinenkonzept mit einer Spannung mehr in etwa 50 Stunden.

Einleitend wurde erwähnt, dass gerade bei der Zerspanung von Leichtmetall erst durch HSC-Bearbeitung wirtschaftliche Spanvolumina
erzeugt werden können. Eine Aufgabe, die beispielsweise nicht mit dem Erzeugen einer möglichst konturtreuen Form vergleichbar ist.
Der Einsatz einer aus dem Fahrständerkonzept entliehenen Motorspindel mit 28 kW und
max. 24 000 U/min für HSK 63-Werkzeugaufnahmen wurde für die Herstellung so genannter Integralteile aus einer AlZnMgCu 1,5-Legierung, wie sie bei der Herstellung von Tragflächenteilen in der Luftfahrt üblich ist, in einer völlig neuartigen Parallelkinematik-Universalmaschine getestet.
 Die Parallelkinematik-Universalfräsmaschine DMT 100 arbeitet 5-achsig, bietet aber schon als Prototypen-Maschinenkonzept ¿echte¿ HSC-Maschinenparameter wie 100 m/min Eilgang bei einer Beschleunigung von bis 20 m/s2 der stabkinematisch bewegten Achsen. Diese hohe Dynamik wird unabhängig vom Werkstückgewicht erreicht. Die benötigte Genauigkeit wird erzielt durch direkt und werkzeugnah messende Drehgeber in den Gelenkachsen. Die Universalität der Spindellage resultiert aus der um ±360° schwenkbaren C-Achse und erreichbaren Negativwinkeln in der Werkzeuganstellung von bis zu 30°. Selbstverständlich muss für die Serienfertigung sperriger Integralteile der Längsweg der gezeigten Maschine wie bei einer Langbettmaschine vergrößert werden. Wichtig erscheint aber die Eignung des Universalmaschinenkonzeptes mit Parallelstab-Kinematik für die HSC-Bearbeitung. Deren Besonderheiten lassen sich wie folgt zusammenfassen:
³ Komplettbearbeitung in einer Aufspannung,
³ Hinterschneidung an den Rippen möglich,
³ Oberkante der Rippen kann allseitig geneigt erzeugt werden,
³ 5-Achs-Simultanbearbeitung von Freiformflächen wird realisiert.
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