Schlüsselfaktoren für das erfolgreiche Fräsen von gehärtetem Stahl

In der Vergangenheit konnten beim Schruppfräsen von gehärtetem Stahl nur sehr geringe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe sowie große Schnitttiefen und Werkzeuggehwege verwendet werden. Dieses Bearbeitungsverfahren ist langsam und zeitaufwändig, und es ist möglich, tiefe gestufte Werkzeugspuren auf dem Werkstück zu bilden. Daher ist es notwendig, mehrere aufeinander folgende Halbfertigfräsen und Fertigfräsen durchzuführen. Eine weitere Alternative besteht darin, Werkstücke mit geringer Härte grob zu fräsen, sie dann einer Wärmebehandlung zu unterziehen und die gehärteten Werkstücke dann erneut auf der Fräsmaschine einzuspannen, um das Halbfeinfräsen und das Feinfräsen durch Mehrfachspannung abzuschließen. Eine andere Methode ist die Funkenerosion (EDM) für gehärteten Stahl, aber auch dieser Prozess ist sehr zeitaufwändig und kostspielig.

Jetzt ersetzt die Hochgeschwindigkeits-Hartfrästechnologie mit geringer Schnitttiefe und großem Vorschub zunehmend diese zeitaufwändigen und mühseligen traditionellen Verfahren. Die Bearbeitungswerkstatt kann zuerst Löcher und Wasserlinien in den Matrizenrohling bohren, dann eine Wärmebehandlung durchführen und dann die Hochgeschwindigkeitsfrässtrategie anwenden, um das Grobfräsen und Feinfräsen durch einmaliges Spannen abzuschließen. Das Hartfräsen hat eine hohe Metallabtragsrate. Da nach dem Grobfräsen ein endformnahes Werkstück erhalten werden kann, kann die Arbeitsbelastung des Halbfeinfräsens und Feinfräsens stark reduziert werden. Die bearbeitete Oberflächengüte beim Hartfräsen kann 10-12 rms erreichen. Dieses Verfahren kann die Produktionseffizienz erheblich verbessern und die Kosten für das mehrfache Aufspannen und die wiederholte Bearbeitung von Werkstücken reduzieren.

Um jedoch die Hochgeschwindigkeits-Hartfrästechnologie erfolgreich anwenden zu können, ist es notwendig, die Schlüsselfaktoren, die den Prozess beeinflussen, gründlich zu verstehen und vollständig zu berücksichtigen.

Härte und Bearbeitbarkeit von Werkstückmaterialien

Der für einen typischen gehärteten Stahl gemessene Härtebereich beträgt normalerweise 48-65 HRC. Wenn man jedoch die Bearbeitbarkeit der tatsächlichen Bearbeitung betrachtet, repräsentiert die Rockwell-Härte nicht alles. Beispielsweise beträgt die Härte von D2-Werkzeugstahl etwa HRC60-62, aber sein hoher Chromgehalt (11%-13%) erhöht die Zähigkeit des Materials, sodass seine Bearbeitbarkeit näher an dem Werkstückmaterial mit einer Härte von HRC62-65 liegt. Für D2-Gesenkstähle und ähnliche mehrkomponentige legierte Stähle müssen die Schnittparameter verwendet werden, die vom Werkzeuglieferanten bereitgestellt werden und allgemein für Materialien mit höherer Härte gelten.

Konstante Spanlast beibehalten

Beim Fräsen (insbesondere beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von gehärtetem Stahl) liegt der Schlüssel zur Verlängerung der Werkzeuglebensdauer und zur Verbesserung der Teilequalität in der Beibehaltung der gleichmäßigen Spanlast, die von der Schneidkante des Fräsers getragen wird. Spanlast =Vorschub ÷ Spindeldrehzahl × Anzahl der Klingen. Ändert sich die Spanlast zu stark oder unangemessen (zu groß oder zu klein), wird der Fräser zu schnell abgenutzt, gebrochen oder beschädigt.

Besonders schwierig ist es, beim Fräsen des üblichen dreidimensionalen Profils im Werkzeugbau eine konstante Spanlast einzuhalten. Herkömmliche Programmiermethoden verwenden normalerweise eine lineare hohe Schnittgeschwindigkeit und einen großen Vorschub-Werkzeugweg, aber beim Fräsen komplexer Profile ändert sich die vom Werkzeug getragene Last ständig, und die Werkzeugmaschine kann möglicherweise nicht in der Lage sein, die erforderliche Spanlast aufrechtzuerhalten. Wenn der Fräser beispielsweise den 90°-Winkel erreicht, wird sein Schnittwinkel verdoppelt und die Schnittkraft erhöht sich ebenfalls. Wird der Vorschub nicht reduziert, verschleißt oder beschädigt der Fräser schnell. Um das sich ändernde Matrizenprofil zu fräsen, kann der Bearbeitungstechniker die Vorschubgeschwindigkeit manuell durch die Vorschubüberlaststeuerung reduzieren, oder das Nockenbearbeitungsprogramm und das Werkzeugmaschinensteuersystem können die Vorschubgeschwindigkeit gemeinsam auf ein angemessenes Niveau reduzieren.

Durch Laden des Nockenbearbeitungsprogramms und des Werkzeugs auf die Werkzeugmaschine und Einstellen der Höhe des Fräsers in Z-Richtung auf etwa 25,4 mm über dem Werkstück kann der Bearbeitungstechniker bestimmen, ob die angegebene Vorschubgeschwindigkeit erreicht werden kann. Die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit kann durch einen Probelauf ermittelt werden. Die Grundprinzipien der Physik machen es unmöglich, jederzeit den geforderten Vorschub und die Spanlast einzuhalten. Als Faustregel gilt:Wenn die Haltezeit des programmierten Vorschubs weniger als 80 % der Gesamtbearbeitungszeit beträgt, muss die Spindeldrehzahl entsprechend reduziert werden, um eine gleichmäßige Spanlast zu gewährleisten.

Werkzeugrundlauf reduzieren

Beim Fräsen ist ein weiterer wichtiger, aber oft übersehener Faktor der Rundlauf des Werkzeugs. Wenn der Rundlauf größer als 0,01 mm (1/7 des Durchmessers eines menschlichen Haares) ist, kann sich die Standzeit im Allgemeinen um die Hälfte verkürzen. Bei der Verwendung von Fräsern mit sehr kleinen Spezifikationen ist es sehr wichtig, den Werkzeugrundlauf so weit wie möglich zu reduzieren. Bei einigen Fräsern mit kleinem Durchmesser verdoppelt eine Unrundheit von 0,01 mm die Spanlast, die auf einen einzelnen Zahn wirkt, was zu einem beschleunigten Verschleiß der Schneidkante des Fräsers führt. Obwohl einige Bearbeitungswerkstätten teure Werkzeugmaschinen und hochwertige Werkzeuge verwenden, verwenden sie kostengünstige Werkzeugfutter mit geringer Präzision, was ein wichtiger Grund für viele Bearbeitungsprobleme ist. Hochpräzisions-Werkzeugfutter (einschließlich Hot-Fit-Spannfutter, hydraulische Spannfutter usw.) können die negativen Auswirkungen des Werkzeugrundlaufs im Wesentlichen eliminieren.

Erweiterte Programmiersoftware übernehmen

Die Programmiersoftware für die Bearbeitung ist unerlässlich, um eine konstante Spanlast aufrechtzuerhalten. Verglichen mit dem niedrigeren Programmiersystem kann das High-End-Nockensystem mehr Datenpunkte verwenden, um den Werkzeugweg zu definieren. Ein solches Kurvenprogramm kann auch das Ein- und Ausschneiden des Werkzeugs steuern, so dass die auf die Klinge wirkende Schnittkraft auf einem vernünftigen Niveau gehalten wird. Obwohl High-End-CAM-Software normalerweise teurer ist, können ihre Vorteile im Allgemeinen die höheren Anschaffungskosten übersteigen.

Auch die Funktion der Werkzeugmaschinensteuerung spielt beim effizienten Fräsen eine wichtige Rolle. Um die Hochgeschwindigkeits-Frässtrategie effektiv zu implementieren, muss die Werkzeugmaschine über eine starke Rechenleistung verfügen, um die vom Nockenprogramm festgelegten schnellen Änderungen der Bearbeitungsparameter im Voraus vorherzusagen und reibungslos zu handhaben. Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen muss das Steuerungs- und Servosystem der Werkzeugmaschine eine große Anzahl von Codeblöcken mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten, um komplexe Maschinenbewegungsbefehle zu verfolgen und auszuführen, aber die alte Steuerung und der alte Server können dies möglicherweise nicht erfüllen Anforderung.

Standzeit verwalten

Für die Werkzeuglebensdauer beim Hochgeschwindigkeitsfräsen können unerwartete Ergebnisse erzielt werden, solange die Spanlast, der Werkzeugrundlauf und andere Probleme (wie z. B. die Werkzeugmaschinensteifigkeit) sorgfältig berücksichtigt werden. Beim Fräsen von gehärtetem Stahl kann der richtige Einsatz des Fräsers die Standzeit verlängern. Natürlich gehört auch die Definition der Standzeit zu den zu berücksichtigenden Faktoren. Die Anforderungen des Kunden an die Oberflächengüte der Matrize können die Einsatzzeit des Fräsers vor dem Werkzeugwechsel begrenzen.

Hohe Schnitttemperaturen wirken sich negativ auf die Standzeit aus. Daher kann beim Hochgeschwindigkeitsfräsen die Verwendung einer kleinen Schnitttiefe die Zeit verlängern, die der Fräser benötigt, um den Schnitt zu beenden, so dass die Schneidkante gekühlt werden kann, wodurch die Werkzeuglebensdauer verlängert wird. Beim Fräsen von Werkstückstoffen mit einer Härte größer als HRC 48 kann zur Vermeidung von Temperaturschocks am Werkzeug in der Regel eine Luftstrahlkühlung oder Ölnebel / Luftnebel als Ersatz für das Kühlmittel verwendet werden. Obwohl der Kühlmittelstrom in einigen Fällen die Späne wegspülen und ein Nachschneiden vermeiden kann, ist die Strahlkühlung zweifellos die bessere Option, da das Werkzeug dadurch nicht mehr schnellen und starken Temperaturänderungen standhalten muss.

Wählen Sie geeignete Schneidwerkzeuge aus

Wie der Entwicklungstrend der gesamten Branche haben Formprodukte immer höhere Anforderungen an die Maßhaltigkeit, und diese Anforderungen spiegeln sich in den Schneidwerkzeugen wider, die zur Bearbeitung von Formen und deren Teilen verwendet werden. Vor einigen Jahren betrug die typische radiale Maßtoleranz eines Kugelkopffräsers 10 μm. Jetzt liegt er nahe bei 5 μM. Es ist schwierig, eine hohe Passgenauigkeit für Teile zu erreichen, die mit einem Kugelstirnfräser mit geringer Umformgenauigkeit bearbeitet werden. In der Formenbauindustrie mit strengen Genauigkeitsanforderungen (z. B. wird der Fehlanpassungsfehler einer Flüssigsilikon-Extrusionsform auf 2 μm reduziert) ist es sehr wichtig, durch Werkzeuge verursachte Fehler zu vermeiden.

Da das Fräsen von gehärteten Materialien viel Schneidwärme erzeugt, verwenden viele Hartmetall-Schaftfräser, die zum Hartfräsen verwendet werden, eine Wärmedämmschicht (z. B. eine AlTiN-Beschichtung). Um die Hitzebeständigkeit und Festigkeit zu verbessern, verwenden diese Fräser normalerweise eine mikrokristalline Hartmetallmatrix mit hoher Härte (Kobaltgehalt 8%), und die Schneidkante nimmt einen negativen Spanwinkel an, um ein Einbrechen der Kante zu verhindern. Beim Feinfräsen können Fräser aus kubischem Bornitrid (CBN) verwendet werden, und Blattstirnfräser eignen sich sehr gut zum Schruppfräsen.

Mikrofräser können Mikromerkmale bearbeiten, die bisher nur durch Erodieren realisierbar waren. Gegenwärtig sind Fräser mit Durchmessern von nur 0,1 mm erhältlich, und selbst ein so kleiner Fräser kann effektiv zum Hochgeschwindigkeitsfräsen eingesetzt werden, solange eine kürzere Nutlänge verwendet wird.

Verschiedene Faktoren umfassend ausgleichen

Um die Produktionseffizienz und Bearbeitungsqualität beim Fräsen von gehärtetem Stahl zu maximieren, sollten wir umfassend Präzisionswerkzeuge, fortschrittliche CAM-Software, leistungsstarke Werkzeugmaschinen, hochpräzise Werkzeugspannzangen einsetzen und andere Maßnahmen ergreifen (z. B. den Austausch von Kühlmitteln). Werkzeug-, Werkzeugmaschinen- und Werkstückstofflieferanten sind in der Regel bereit, ihr eigenes Fachwissen und ihre Fähigkeiten zur Verfügung zu stellen, um der Verarbeitungswerkstatt zu helfen, ein echtes Prozessgleichgewicht zu erreichen und ihre Produktivitätsziele zu erreichen