Was ist Hochgeschwindigkeitsschneiden?

Der Begriff „High Speed ​​Cutting“ (auch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung genannt) ist in der Fertigungsindustrie in den letzten 5 bis 10 Jahren stark gewachsen. Trotz seines neu entdeckten „Schlagwort“-Status bleibt die Definition dieses Prozesses etwas schwer fassbar oder wird bestenfalls locker als einfaches Fräsen mit einer ausreichend hohen Drehzahl definiert. Die Realität des Hochgeschwindigkeitsschneidens ist etwas nuancierter, erfordert aber dennoch Aufmerksamkeit aufgrund der erheblichen Effizienz, die es bietet. In diesem Beitrag werfen wir einen Blick auf die Entstehung und Entwicklung des Hochgeschwindigkeitsschneidens als Prozess. Die Forschung und Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Schneidemethoden wurde am deutlichsten in den späten 70er und frühen 80er Jahren durch das von DARPA finanzierte Advanced Manufacturing Research Program vorangetrieben. Das Ziel dieses Programms war es, ein Mittel zum schnelleren Materialabtrag durch Verwendung von deutlich höheren Drehzahlen und Vorschubgeschwindigkeiten als herkömmlich verwendet zu finden. Dieses Programm testete Schnittgeschwindigkeiten (Vc), die von nur 0,05 Zoll/min bis zu 960.000 Zoll/min und darüber hinaus reichten. Ähnliche Forschungen wurden in Europa Mitte der 1980er Jahre an der Technischen Universität Darmstadt durchgeführt. Das Ergebnis dieser Forschungsbemühungen war die Erkenntnis, dass der „Sweet Spot“ eines Hochgeschwindigkeits-Schneidprozesses je nach gefrästem Material und der Geometrie des Schneidwerkzeugs variiert. Im Allgemeinen werden diese Sweet Spots wie folgt definiert:

Ist die Schwelle in den HSM-Bereich erreicht, zeigen sich die Vorteile dieses Schneidverfahrens. Die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsschneidens werden in vier Hauptbereichen verwirklicht:

1.) Erhöhte Bearbeitungsgenauigkeit

Wenn die Schnittgeschwindigkeit zunimmt, nimmt die Schnittkraft aufgrund eines Phänomens ab, das als Thixotropie bezeichnet wird – oder die Eigenschaft eines Materials, aufgrund der Scherbeanspruchung, die ihm durch die Schneidkante des Werkzeugs auferlegt wird, „arbeitserweicht“ zu werden und dann wieder auf die zurückzugehen ursprünglichen Härteeigenschaften nach Abschluss des Schneidvorgangs. Diese Eigenschaft gilt insbesondere für Aluminiumlegierungen, was Aluminium zu einem idealen Kandidaten für Hochgeschwindigkeits-Schneidverfahren macht.

2.) Verbesserungen der Oberflächenbeschaffenheit

Allgemeines Bearbeitungswissen sagt uns, dass Reibungswärme in einem Fräsprozess auf jeder Seite der Werkzeugschneide gleichmäßig erzeugt wird (was fast 80 % der gesamten induzierten Reibungswärme ausmacht), wobei weitere 20 % durch die Verformung oder Biegung des resultierenden Spans erzeugt werden . Bei einem Hochgeschwindigkeits-Schneidprozess wird die Spanlast mit einer so hohen Rate abgeführt, dass der Großteil (ungefähr 60 %) dieser auf Reibung basierenden Wärme nicht genügend Zeit hat, um in das umgebende Werkstück oder zum Werkzeug selbst zu leiten. Als Ergebnis zeigt die bearbeitete Oberflächengüte eine überlegene Qualität mit einer merklichen Verringerung der temperaturbedingten Werkstückverschlechterung.

3.) Reduzierte Gratbildung

Basierend auf Studien, die sich auf Best Practices für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung konzentrierten, wird eine bemerkenswerte Abnahme der Gratbildung beobachtet, sobald eine ausreichend hohe Schnittgeschwindigkeit erreicht wurde. Diese Verringerung der Gratbildung ist sowohl eine Funktion der Schnittgeschwindigkeit selbst als auch der richtigen geometrischen Gestaltung der Schneidkante. Kurz gesagt, ein Schneidwerkzeug, das richtig auf das Werkstück abgestimmt ist und mit ausreichender Geschwindigkeit gedreht wird, bewirkt einen Schnitt, der schnell genug ist, um das Material vollständig und sauber abzuscheren – wodurch die Gratbildung reduziert oder verhindert wird.

4.) Verbesserte Spanabfuhr

Ähnlich wie die Reduzierung der Gratbildung ist die Verbesserung der Spanabfuhr, die diejenigen genießen, die Hochgeschwindigkeits-Schneidpraktiken anwenden, in erster Linie ein Ergebnis der Schneidwerkzeuggeometrie in Kombination mit dem hohen Energiezustand, der durch die angewendete Drehzahl erzeugt wird. Mit einer Schnittgeschwindigkeit von über 500 m/min und einem Schneidwerkzeug, das so optimiert ist, dass es eine große Menge an Spänen in kurzer Zeit abführt, kann die resultierende Späneladung mit hoher Geschwindigkeit aus dem Bearbeitungsbereich ausgeworfen werden, was die Möglichkeit erheblich reduziert der Nachbearbeitung von Spänen oder Beschädigung des Werkstücks durch zu viele Restspäne. Da sich Spindeldrehzahlen im Bereich von 8.000 bis 12.000 U/min auf dem Werkzeugmaschinenmarkt immer mehr durchsetzen, ist die Möglichkeit, die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsschneidens in Stahl, Gusseisen und Legierungen auf Nickelbasis zu nutzen, bereits für Hersteller verfügbar, die bereit sind, sich anzupassen ihre Strategien zu denen, die zu den Best Practices von HSC passen. Das Hochgeschwindigkeitsschneiden von NE-Materialien wie Messing, Aluminium und technischen Kunststoffen erfordert eine deutlich höhere Drehzahlfähigkeit, und daher müssen sich diejenigen, die die Vorteile des Hochgeschwindigkeitsschneidens für diese Materialien nutzen möchten, auf Fräsgeräte konzentrieren, die in der Lage sind, mit zu arbeiten Hochgeschwindigkeitsspindeldrehzahlen von 25.000 bis 50.000 U/min oder mehr. Angesichts des Bedarfs an bearbeiteten Teilen, die ein immer höheres Maß an Präzision und Qualität aufweisen, bietet das Hochgeschwindigkeitsschneiden eine Möglichkeit, „intelligenter, nicht härter“ zu arbeiten – durch die Nutzung eines CNC-Frässystems, bei dem eine Synergie zwischen Material, Schneidwerkzeug und Schnittgeschwindigkeit entsteht ermöglicht Leistungsniveaus, die in herkömmlichen Bearbeitungspraktiken ungesehen sind.