Maximieren Sie die CNC-Effizienz für Teile mit tiefen, engen Hohlräumen:Expertentipps

Teile mit tiefen Hohlräumen, insbesondere solche mit engen Innengeometrien, gehören zu den anspruchsvollsten Aufgaben beim CNC-Fräsen. Häufige Probleme sind ein übermäßiger Werkzeugüberstand, eine schlechte Spanabfuhr und eine unzureichende Kühlung. Diese Probleme können die Werkzeuglebensdauer verkürzen, die Oberflächenqualität verschlechtern und die Produktionseffizienz verringern.

Wichtige Überlegungen zur CNC-Bearbeitung von tiefen und schmalen Hohlräumen

Bei der Bearbeitung tiefer und enger Hohlräume erfordern folgende Faktoren besondere Aufmerksamkeit:

• Werkzeugverformung :Längere Werkzeuge neigen eher zum Verbiegen, was sich auf die Maßhaltigkeit und die Oberflächenbeschaffenheit auswirkt.
• Späneabfuhr :Späne neigen dazu, sich am Boden tiefer Hohlräume anzusammeln, was das Risiko eines Werkzeugbruchs oder einer Wandbeschädigung erhöht.
• Vibration :Ein übermäßiger Werkzeugüberhang und mangelnde Unterstützung können zu Vibrationen führen, die die Genauigkeit verringern und die Werkzeuglebensdauer verkürzen.
• Tiefen-zu-Breite-Verhältnis :Das Verhältnis von Hohlraumtiefe zu Breite zwischen 3:1 und 4:1 trägt dazu bei, die Bearbeitungsinstabilität zu reduzieren.
• Verhältnis von Tiefe zu Verrundungsradius :Wenn das Verhältnis der Hohlraumtiefe zum Eckenrundungsradius 10:1 erreicht, kann die Struktur als tiefer Hohlraum betrachtet werden. Je größer das Verhältnis, desto länger wird das benötigte Schneidwerkzeug. Dies ist also ein Hauptindikator für Bearbeitungsschwierigkeiten.

Aluminium-Tiefhohlraumbearbeitung

Dieser Artikel bietet eine detaillierte Analyse praktischer Lösungen für Teile mit tiefen Hohlräumen. Es basiert auf einem echten Aluminium-Hohlraumprojekt mit einer ultratiefen und schmalen Hohlraumstruktur mit einer Tiefe von 113 mm, einer Mindestbreite von 14,5 mm und einem inneren Kehlradius von 6 mm an den Ecken.

Teileübersicht

• Material:AL7075-T6
• Abmessungen:175,2 × 103 × 122,65 mm
• Merkmale:Tiefer Innenhohlraum mit maximalen Abmessungen von 146,2 × 83 mm. Der schmalste Abschnitt misst 14,5 × 14 mm. Alle Inneneckradien betragen 6 mm bei einer Tiefe von 113 mm. Das daraus resultierende Tiefen-zu-Radius-Verhältnis von 19:1 klassifiziert dies als einen ultratiefen Hohlraum.

Hauptherausforderungen

• Ein Werkzeug mit ∅12 mm erfordert einen Überhang von mehr als 115 mm, was zu einer unzureichenden Steifigkeit führt (Werkzeugtiefe übersteigt das Fünffache des Durchmessers).
• Aluminiumspäne sammeln sich schneller an, als sie entfernt werden können, wickeln sich um das Werkzeug und erhöhen das Risiko eines Ausfalls.
• Die Innenwände müssen eine strenge Oberflächenrauheitsanforderung von Ra ≤ 0,8 µm erfüllen.
• Die Rechtwinkligkeit der inneren Hohlraumwand ist sehr anspruchsvoll (0,1 mm Rechtwinkligkeit erforderlich).

Wie optimiert man Prozessstrategien?

Die folgenden Strategien wurden verwendet, um die Werkzeugstabilität, die Spanabfuhr und die Gesamteffizienz beim Schruppen zu verbessern.

1. Optimieren Sie die Werkzeugeingabestrategie

Bohren Sie vor dem Schruppen Pilotlöcher vor, um die Schnittbelastung beim Werkzeugeintritt zu reduzieren und die Spanabfuhr zu unterstützen.

In diesem Fall wurden am Boden des Hohlraums zwei Durchgangslöcher mit einem Durchmesser von 22 mm gebohrt. Diese Löcher dienten als Eintrittspunkte für Schruppwerkzeuge und als Kanäle zur Spanabfuhr. Das Schruppwerkzeug fuhr vertikal entlang der Z-Achse durch die Löcher und führte dann das XY-Ebenenfräsen durch.

Dieser Ansatz vermeidet die starke „Aufprallkraft“, die typischerweise auftritt, wenn das Werkzeug entlang der Z-Achse direkt in das Rohmaterial eintaucht. Dies ist ein besonders problematisches Problem beim Schruppen von Kavitätsschlitzen.

2. Stufenbasierte Grobbearbeitung

Es wurde eine dreistufige Schruppstrategie verwendet:

Stufe 1:Hocheffizientes dynamisches Schruppen

Es wurde ein ∅18 mm Vollhartmetall-Wellenfräser mit drei Schneiden (Gesamtlänge 100 mm, Vorsprung 70 mm, Tiefe 0–65 mm) verwendet. Zur Maximierung der Schruppeffizienz wurde adaptives dynamisches Schruppen angewendet (S4000/F1800, Tiefe 25 mm, Breite 1,8 mm).

Stufe 2:Stabiles Tiefschruppen mit Wendeschneidplatten

Vibrationsgedämpfter, verlängerter ∅20-mm-Wendeschneidplattenfräser (Gesamtlänge 200 mm, Überhanglänge 130 mm, Bearbeitungstiefe 65–113 mm) zum schrittweisen Schruppen (S2800/F2000, Schnitttiefe 0,5 mm, Schnittbreite 14 mm) mit dem Ziel, ein stabiles und sicheres Schruppen bis zum Boden der Kavität zu erreichen.

Stufe 3:Eckenverfeinerung für einheitliches Schlichtaufmaß

Sekundäres Schruppen mit einem verlängerten ∅12 mm Vollhartmetall-Schaftfräser (Gesamtlänge:200 mm; Überhang:125 mm; Bearbeitungstiefe:0–113 mm) bei S3000/F1500 mit einer Schnitttiefe von 0,35 mm. Der Zweck besteht darin, den großen Eckenradius zu entfernen, der durch das vorherige Schruppwerkzeug mit großem Durchmesser entstanden ist, sodass alle Innenwandflächen des Hohlraums ein einheitliches Schlichtaufmaß von 0,2 mm haben.

3. Wählen Sie ein geeignetes Werkzeugmaterial und eine geeignete Geometrie

Die Werkzeugauswahl und die Schruppstrategie sind für eine stabile Bearbeitung tiefer Kavitäten von entscheidender Bedeutung. In diesem Fall übertrafen die Hartmetalleinsätze vom YW-Typ die Einsätze vom YG- und YT-Typ in Bezug auf Wärmeableitung und Antihaftleistung.

Optimierung der Endbearbeitungs-Werkzeugwege

Die folgende Tabelle zeigt zwei Arten von Schlichtwerkzeugpfaden:

Links:Schichtweises Finishing

Auf der linken Seite sehen Sie die Schicht-für-Schicht-Endbearbeitungsmethode, bei der sich das Werkzeug nach Fertigstellung jeder Schicht über Hilfsein- und -austrittspfade zur nächsten Ebene bewegt. Der Vorteil dieser Methode ist ihre „hohe Effizienz“, der Nachteil sind jedoch die sichtbaren Ein- und Austrittsspuren am Werkstück.

Aufgrund des großen Werkzeugüberhangs ist die Ablenkung an der Werkzeugspitze und -wurzel ungleichmäßig, was nach der Drehung zu einer konischen Form führt. Dies führt nach der Endbearbeitung zu deutlichen Schichtspuren an der Innenwand sowie zu einer Verjüngung, die die Anforderung der Rechtwinkligkeit von 0,1 nicht erfüllt.

Rechts:Optimierter Werkzeugweg (Spiralbearbeitung in einem Durchgang)

Rechts ist der optimierte Werkzeugweg zu sehen, bei dem die Technik des kontinuierlichen Schneidens in einem Durchgang zum Einsatz kommt (einmaliger Ein- und Ausstieg während des gesamten Prozesses). Der Werkzeugweg verläuft von Anfang bis Ende spiralförmig nach unten. Während das Problem der Werkzeugablenkung weiterhin besteht, stellt die spiralförmige One-Pass-Technik sicher, dass die Werkzeugspitze einen konsistenten Schnittzustand mit geringer Belastung und gleichmäßiger Geschwindigkeit beibehält.

Dadurch variiert die Auswirkung der Werkzeugablenkung nicht mit der Bearbeitungstiefe. Dadurch kann die Innenwand des Werkstücks von oben bis unten eine gleichmäßige Oberflächengüte erzielen und gleichzeitig die Anforderungen der Zeichnung an die Rechtwinkligkeit erfüllen.

Zweikanaliges Hochdruck-Kühlmittelsystem

Selbst bei vorgebohrten Spanabfuhrlöchern entstehen beim Schruppen schnell Aluminiumspäne. Kontinuierliche Kühlung ist unerlässlich. Nicht nur zum Kühlen des Werkzeugs, sondern auch zum Abspülen der Späne in Echtzeit.

Um eine zuverlässige Spanabfuhr zu gewährleisten, wurde ein Zweikanal-Hochdruck-Kühlmittelsystem mit sowohl vertikalen als auch seitlichen Auslässen verwendet.

(Hinweis:Im Bild wurde das Hochdruckkühlmittel vom vertikalen Auslass nicht aktiviert.)

Endergebnisse und Zusammenfassung

Durch den Einsatz von Standard-Hochleistungsgeräten und Prozessoptimierung haben wir Folgendes erreicht:

• Reduzierung der Nennzykluszeit pro Werkstück um 42 %
• 125 % höhere Standzeit
• Konsistente Oberflächenrauheit (Ra ≤ 0,8 µm)
• Vertikalität (≤ 0,1 mm)

Wichtige Erkenntnisse

• Die Werkzeugwegstrategie ist ebenso wichtig wie die Werkzeugauswahl.
• Segmentiertes Schruppen reduziert Vibrationen bei langen Werkzeugüberhängen.
• Spiralbearbeitung in einem Durchgang vermeidet die Instabilität, die durch einen übermäßigen Werkzeugüberhang verursacht wird.

In diesem Projekt wurde erklärt, dass für die Bearbeitung tiefer Hohlräume keine speziellen Werkzeuge oder Maschinen erforderlich sind. Mit sorgfältiger Planung, richtiger Reihenfolge und strenger Prozesskontrolle können mit Standard-Setups qualitativ hochwertige Ergebnisse erzielt werden.

Benötigen Sie Hilfe bei der Optimierung Ihres nächsten Tiefkavitätsbearbeitungsprojekts? Kontaktieren Sie WayKen für fachkundige Unterstützung.