Produktionszeit reduzieren mit HPC und HSM: Eine komplette Schneidlösung

Zusammenfassung:

• High-Performance Cutting (HPC) maximiert Metallabtragsraten zur Zykluszeitverkürzung, während High-Speed Machining (HSM) auf schnelle Schnitte bei hohen Geschwindigkeiten setzt. Beide erfordern Werkzeugtechnik, Steuerungen und Maschinen, die stabil genug sind, um ihre Nutzung zu unterstützen.
• HPC erfordert Maschinen, die Späne schnell evakuieren können, üblicherweise horizontale Bearbeitungszentren, 5-Achsen-Maschinen oder invertierte Maschinen. Adaptive Steuerungen und Simulationen helfen Benutzern auch, Kraftspitzen oder andere Probleme zu vermeiden, die das Schneidwerkzeug, die Spindel oder das Teil beschädigen könnten. Werkstätten sollten auch moderne Schneidwerkzeuggeometrien verwenden, die für Stabilität gebaut sind, um Werkzeugstandzeit und Leistung zu maximieren.
• HSM profitiert von hohen Spindeldrehzahlen, erfordert aber wirklich hohe Spindelbeschleunigung. Die meisten modernen CAM-Pakete enthalten Funktionen, die es Benutzern ermöglichen, HSM-Techniken schnell auf Teilemerkmale anzuwenden. Schneidwerkzeuge für diese fortschrittlichen Techniken sollten moderne Beschichtungen verwenden, um der von diesen Werkzeugpfaden erzeugten Hitze besser zu widerstehen.

High-Performance Cutting (HPC) und High-Speed Machining (HSM) mögen keine formalen Standards haben, aber in der Praxis bewirken diese Werkzeug- und Werkzeugpfadtypen signifikante Verbesserungen bei Zykluszeiten und Rentabilität. Die Methoden greifen unterschiedliche Variablen an: HPC bezieht sich auf Werkzeuge und Werkzeugpfade, die schwere, aggressive Schnitte verwenden, um die Materialabtragsrate zu erhöhen, während HSM sich auf Werkzeuge und Werkzeugpfade bezieht, die schnelle, leichte Bewegungen machen, um hohe durchschnittliche Vorschübe beizubehalten und Nicht-Schneidezeit zu reduzieren.

Sandvik Coromant stellt Werkzeugtechnik für beide Enden dieser Hochleistungsdichotomie her, und Sandvik Mass Production Solution Specialist Chris Monroe hat Erfahrung damit, wie Jobshops diese Werkzeuge optimal nutzen können. Letztlich kommt es darauf an, die richtige Steuerung und CAM-System zu verwenden; vollen Nutzen aus modernen Beschichtungen und Geometrien zu ziehen; und Maschinen mit der richtigen Steifigkeit, Spindeldrehzahl und Spanabfuhr für Ihre Anwendung auszuwählen.

Ausgewählter Inhalt

Obwohl HSM-Werkzeugtechnik im Allgemeinen eine glattere Oberflächenbeschaffenheit hinterlässt als das auf Schruppen fokussierte HPC-Werkzeug, sagt Monroe, es ist keine strenge Trennlinie. Werkzeuge wie Sandviks Plura HD Schaftfräser qualifizieren sich unter dem OEM-Klassifikationssystem als HPC-Werkzeuge, hinterlassen aber dennoch respektable Oberflächengüte. Bilder mit freundlicher Genehmigung von Sandvik Coromant.

HPC vs. HSM

Der größte Vorteil von HPC-Werkzeugpfaden, sagt Monroe, ist, dass sie kontinuierliches Engagement mit dem Teil fördern. Während dies viel bessere Steifigkeit und Spannung an der Maschine erfordert, besonders wenn Programmierer schwerere Schnitte fahren, die mehr Drehmoment auf das Setup ausüben, kann es die Metallabtragsraten dramatisch erhöhen.

HSM-Werkzeugpfade, so sagt er, zeigen ihre Stärken durch verbesserte Bewegungsqualität und konstante Spandicke. Sie halten das radiale Engagement klein, während sich der Fräser kontinuierlich bewegt, was Schneidkräfte senkt und die Werkzeugstandzeitkonsistenz verbessert. Mit dieser Werkzeugstandzeit sagt Monroe, sind HSM-Werkzeugpfade gut für Lights-Out-Bearbeitung geeignet. Diese Werkzeugpfade skalieren gut mit höheren Drehzahlen, erfordern aber primär ausreichende Maschinenbeschleunigung und Unterstützung für einen signifikanten Look-Ahead in der Steuerung.

CAM und Steuerung

Monroe sagt, CNC ist eine Voraussetzung für moderne HPC- und HSM-Werkzeugpfade, da manuelle Bedienung die Funktionen von HPC- und HSM-Werkzeugtechnik nicht nutzen kann. Eine Steuerung mit großem Look-Ahead ist notwendig, um die schnellen Bewegungen von HSM zu verfolgen und die Beschleunigung zu kontrollieren, damit Bewegungen glatt und frei von Stufenbildung oder Ruckeln sind. Adaptive Steuerungen passen hingegen gut zu HPC-Werkzeugpfaden, da sie Echtzeit-Geschwindigkeits- und Vorschubanpassungen ermöglichen, um Probleme mit plötzlichen Kraft- oder Hitzespitzen zu verhindern.

CNC ermöglicht auch die Nutzung von CAM- und Simulationssoftware, die viele der Schwierigkeiten bei der Einrichtung fortschrittlicher Werkzeugpfade mindert. Monroe verweist auf feste Zyklen in CAM-Software, die in der Lage sind, die Programmierung schwieriger Merkmale wie enger Ecken zu straffen, die sorgfältige Geschwindigkeitsverwaltung erfordern, um zu verhindern, dass das Werkzeug gegen das Teil schlägt. Er sagt auch, CAM-Software kann adaptive Werkzeugpfade in Schmiedeteilen oder Gussstücken ermöglichen, die sich leicht anpassen, wenn Werkstücke für denselben Job vor der Bearbeitung geringfügige Dimensionschwankungen aufweisen. Simulationsfunktionen helfen Werkstätten, Späne zu kontrollieren und die Belastung zu überwachen, sodass sie sich den oberen Grenzen der Produktivität ihrer Werkzeuge nähern können, ohne die Arbeitszone zu verstopfen oder die Spindel zu beschädigen.

Monroe empfiehlt keine CAM- oder Steuerungsmarke über einer anderen, nur dass Werkstätten aktuelle Versionen als Teil ihres HPC- oder HSM-Workflows verwenden. Selbst wo verschiedene Softwaretypen unterschiedliche Funktionen enthalten, reduzieren sie alle die Zeit, die eine Werkstatt mit Luftschneiden verbringt. Indem sie Drehmoment- und Leistungsverbrauch konsistent halten, reduzieren sie thermische Instabilität, verbessern die Werkzeugstandzeit und steigern letztlich die Produktivität.

Lastüberwachung ist bei der Arbeit mit HPC-Werkzeugpfaden entscheidend, da Kraftspitzen auftreten können, wenn man die Werkzeuge zu hart antreibt.

Effiziente Werkzeuggeometrie

Fortschritte in der Schneidwerkzeuggeometrie haben widerstandsfähigere Werkzeugtechnik für HPC-Operationen ermöglicht, wobei Monroe auf mehrere Beispiele in Sandviks Portfolio verweisen kann. Das Unternehmen hat Werkzeugtechnik mit konischen Kernen entwickelt, die eine Konizität in Richtung des Werkzeugfußes beinhalten. Monroe sagt, diese Konizitäten verbessern die Steifigkeit und reduzieren Vibrationen, was die Werkzeugstandzeit verlängert und sich für High-Feed-Seitenfräsen und die Bearbeitung tiefer Taschen als nützlich erweist. Der Werkzeug-OEM hat auch begonnen, Werkzeuge mit ungleichen Spiralen freizugeben, sowohl symmetrische als auch asymmetrische. Letztere begrenzen Resonanzen im Schnitt durch die Verwendung von Spiralen mit unterschiedlichen Steigungswinkeln, während die ersteren einfach ihre Spiralen so paaren, dass keine benachbarten Spiralen denselben Steigungswinkel verwenden. In beiden Fällen erfahren Werkstätten bessere Werkzeugstabilität, was sie dann in die Lage versetzt, aggressivere Vorschübe und Geschwindigkeiten zu fahren, um Jobs schneller abzuschließen.

Monroe teilte ein Beispiel eines Kunden, der sein Standardwerkzeug für Schruppen und Schlichten der Oberfläche eines Stahl-1030-Lagergehäuses mit Sandviks ungleicher Spiralen WhisperKut-Werkzeugtechnik verglich. Mit dem älteren Werkzeug konnte die Werkstatt vier Stücke mit einem Tischvorschub von 214 mm/min bearbeiten. Mit Sandviks neuerem Werkzeug konnte die Werkstatt 40 Stücke mit einem Werkzeug bei einer Tischgeschwindigkeit von 835 mm/min produzieren. Neben dieser signifikanten Steigerung der Werkzeugstandzeit beseitigte Sandviks Werkzeugtechnik auch einen zusätzlichen manuellen Nachbearbeitungsschritt zur Korrektur von Punkten außerhalb der Toleranzen.

Hitzebeständige Beschichtungen

HSM-Werkzeugtechnik hat indessen von Fortschritten in der Beschichtungstechnologie profitiert, die der höheren Hitze im Schnitt widerstehen können, wenn die Werkzeuggeschwindigkeit steigt. In Sandviks Fall konzentrieren sich diese Verbesserungen nicht so sehr auf neue Beschichtungsformulierungen, sondern auf neue Wege, bewährte Beschichtungen aufzutragen und zu schichten, um bessere Leistung zu erzielen. Monroe sagt, der OEM hat kürzlich mehrere PVD-Beschichtungsprozesse entwickelt, die den Beschichtungen helfen, an ihren Substraten zu haften und kristalline Strukturen in den Beschichtungen zu erzeugen, um Verschleiß und Abblättern besser zu widerstehen.

Für einen Kunden war die Beschichtung auf einem Sandvik DURA-Werkzeug hitzebeständig genug, dass die Werkstatt es bei einem 304 SS-Job mit einem Tischvorschub von 43,45 ipm einsetzen konnte, im Vergleich zu 25,12 ipm eines Wettbewerbers. Selbst bei einem leicht niedrigeren Vorschub pro Zahn produzierte das Sandvik-Werkzeug 50 Werkstücke in 7,4 Stunden, bevor es ersetzt werden musste, während das Wettbewerber-Werkzeug 20 Teile in 5,1 Stunden produzierte, bevor es ersetzt werden musste. Sandvik berechnete einen Produktivitätsschub von 73 % für den Kunden mit einer Zykluszeitreduzierung von 42 % und einer Kostensenkung von 48 %.

Einer der größten Vorteile fortschrittlicher Werkzeugtechnik ist kontrolliertes, konstantes Engagement, sagt Monroe. Indem sie im Schnitt bleiben, verbringen Werkstätten mehr Zeit mit Spanbildung, was zu niedrigeren Zykluszeiten und höherem Durchsatz führt.

Fortschrittliche Werkzeugtechnik erfordert fortschrittliche Werkzeugmaschinen

Monroe sagt, sowohl vertikale als auch horizontale 3- und 4-Achsen-Maschinen sind gute Passformen für HSM-Werkzeugpfade, warnt aber, dass HPC besser mit horizontalen Maschinen aufgrund der Spanabfuhrbedürfnisse funktioniert. Selbst dann empfiehlt er, sicherzustellen, dass die Maschine Hochdruckkühlmittel- und Luftsysteme bereit hat, um bei Spänen zu helfen. 5-Achsen-Maschinen sind generell mit sowohl HPC- als auch HSM-Werkzeugpfaden kompatibel, obwohl Monroe sagt, man sollte auf die Drehbeschleunigungsrate der Drehachse achten, da dies ein limitierender Faktor sein kann, wenn Werkstätten das Teil nicht schnell genug neu orientieren können, um mit dem Vorschub Schritt zu halten. Die Schwerkraft unterstützt auch die Spanabfuhr an 5-Achsen-Maschinen und hilft Werkstätten, aggressivere Vorschübe zu fahren, da Späne aus Taschen befreit werden können. Dasselbe Prinzip gilt für invertierte Fräs- und Drehmaschinen, die Monroe sagt, typischerweise die Stabilität haben, um sowohl HPC- als auch HSM-Werkzeugpfade zu bewältigen.

Die Einführung von Maschinen mit Hochdrehzahlspindeln (40.000 U/min) und ausreichend stabilen Konstruktionen, um die vollen Schneiden von Werkzeugen unter anhaltender Last ohne Vibration zu nutzen, macht HPC- und HSM-Werkzeugpfade lebensfähiger, sagt Monroe, mit verbesserter Werkzeugstandzeit sogar bei aggressiven Geschwindigkeiten und Vorschüben. Viele moderne Maschinen bieten Spindeldrehzahlen 20-40 % höher als die vor fünf Jahren allgemein verfügbaren, sagt Monroe, mit Materialabtragsraten 100-300 % höher. Zusammen mit modernen Werkzeuggeometrien und Beschichtungen ermöglichen diese den Einsatz von Werkzeugpfaden, die dramatische Verbesserungen bei Zykluszeiten zeigen, während sie die Zeit zwischen Werkzeugwechseln verlängern.