Das sind die Grenzen der HSC-Bearbeitung
von Tim Bartl Verringerte Schnittkräfte, erhöhte Bearbeitungsqualität und vor allem weniger Nacharbeit im Werkzeug- und Formenbau sind die wohl gängigsten Vorteile der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Das Institut für Produktionsmanagement (PTW) um Prof.Dr.-Ing. E. Abele hat sich neben aktuellen Ansätzen der HSC-Bearbeitung vor allem mit deren Grenzen befasst. Besonders die Fliehkraftfestigkeit von HSC-Werkzeugen verdient gesteigerte Aufmerksamkeit – Dipl.-Wirtsch.-Ing. Julien Hohenstein erklärt, wieso.
Seit der Entdeckung des HSC-Effekts durch ballistische Versuche unter Laborbedingungen, Hauptantreiber war damals noch die amerikanische Flugzeugindustrie, in den frühen achtziger Jahren geht es heute vor allem in der Leichtmetallzerspanung darum, das dynamische Schwingungsverhalten im Rahmen einer hohen Prozesssicherheit zu verbessern sowie die Produktivität durch Optimierung der Bearbeitungsgenauigkeit zu steigern. Insbesondere sollen durch die Vorteile der HSC Bearbeitung wie verringerte Schnittkräfte, höhere Produktivität und erhöhte Bearbeitungsqualität die Prozessschritte auf ein Minimum reduziert und der Aufwand für Nacharbeit klein gehalten werden.
Aber wo liegen die Grenzen dieser Bearbeitungstechnologie? Die hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen führen zwar auf der einen Seite zu Produktionsverbesserungen, kämpfen aber auf der anderen Seite mit Genauigkeitseinbußen durch Masseneffekte und Schwingungsphänomene. Das PTW in Darmstadt beschäftigt sich in seiner Forschungsgruppe Werkzeugmaschinen und Komponenten mit den Forderungen der Industrie nach hohen Auslastungen der Werkzeugmaschine, hoher Produktivität und gleichzeitiger Optimierung der Genauigkeit. In der Forschungsgruppe Technologie spielt unter anderem die Bestimmung der maximalen Einsatzgrenzen von schnelldrehenden Werkzeugen sowie die Entwicklung von fliehkraftoptimierten HSC-Werkzeugkonzepten und die Kompensation des dynamischen Schneidkantenversatzes eine besondere Rolle.
Die Fliehkraftfestigkeit von Werkzeugen ist die grundlegende Anforderung für HSC-Werkzeuge. Durch die beim HSC entstehende Zentrifugalkraft stoßen die Werkzeuge in der heute weit verbreiteten HSC-Bearbeitung von Aluminium und Mag-nesiumwerkstoffen schnell an die mechanischen Grenzen ihrer Belastbarkeit. „Fliehkräfte stellen hohe Anforderungen an die Werkzeuggrundkörper und ihre Schneidplattenanbindung. Sie werden beim HSC immer mehr an die mechanischen Grenzen ihrer Belastbarkeit gebracht.“, verdeutlicht Julien Hohenstein. Neben der Zerstörung der Werkzeuggrundkörper sind es vor allem Beschädigungen der Anbindung zwischen Schneide und Grundkörper, die zu Ausfallzeiten im Produktionszyklus führen und zusätzliche Kosten verursachen.
Das PTW in Darmstadt hat gemeinsam mit verschiedenen Partnern mit einem Berstversuch nach EN ISO 15641 eine zuverlässige Methode entwickelt, um die Fliehkraftfestigkeit von Werkzeugen zu testen. Zwar limitiert die Sicherheit der Werkzeuge in manchen Bereichen ein weiteres Steigern der Schnittgeschwindigkeit, doch wird dadurch der sichere Einsatz von HSC-Werkzeugen erreicht.
„Die Grundkörperverformung und der dynamische Schneikantenversatz sind maßgeblich für die Beurteilung der maximal zulässigen Drehzahl eines Werkzeuges sowohl aus sicherheitstechnischer Sicht, als auch in Bezug auf die erzeugbare Bauteilqualität“, erklärt Julien Hohenstein im Zusammenhang mit dynamischem Werkzeugverhalten den Unterschied zwischen Schwingung und Aufweitung. „Um den dynamischen Schneidkantenversatz bestimmen zu können, muss zwischen Aufweitung und übergelagerter Schwingung getrennt werden.“ Das dynamische Grundkörperverhalten ist von Material zu Material verschieden. Stahlgrundkörper sind demnach robuster gegen Verformungen als Grundkörper aus Aluminium. Beim dynamischen Schneidkantenversatz können Aufweitungen von 30 µm bei radialer Verschraubung bis zu 120 µm bei axialer Verschraubung entstehen. Die Schneidplattenanbindung hat folglich einen enormen Einfluss auf die Werkzeugmaßhaltigkeit unter Drehzahl. Bei einer klassischen Radialplatte (tangential am Grundkörper geschraubt) wurde bereits ein maximaler plastischer Schneidkantenversatz von 0,7 mm gemessen. Das Beispiel zeigt, dass sich enorme plastische und elastische Verformungen ergeben, die einen erheblichen Einfluss auf den sicheren Einsatz des Werkzeuges haben und auch die Bauteilmaßhaltigkeit sowie Oberflächenqualität beeinflussen.
Die weit über 500 Bersttests seit 1991 haben ergeben, dass durch den Sicherheitsfaktor 2 eine sichere Betriebsgeschwindigkeit erreicht wird (Berstgeschwindigkeit / 2 = Betriebsgeschwindigkeit). Dies hat jedoch noch keine Aussage über die auftretenden Verformungen, sodass alleine aufgrund der Berstprüfung nach EN ISO 15641 noch keine Aussage über den Einfluss des Schneidkantenversatzes auf die Bauteilqualität möglich ist. Dies muss auf einen speziell dafür entwickelten Prüfstand unter Einsatzdrehzahl ermittelt werden.
Folgt die HSC-Bearbeitung und die Werkzeugentwicklung weiter dem ansteigenden Trend, führt dies zu immer verbesserter Fliehkraftfestigkeit und daraus resultierend zu höheren Betriebsgeschwindigkeiten. Beachtet man die Vorgaben aus dem Bersttest, können Werkzeuge sicher (ohne Versagen) bis zur Grenze der maximalen Drehzahlen eingesetzt werden.
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