Fräs-Effizienz steigern: Bewährte Techniken zur Maximierung der Spanabtragsrate

Experten teilen Taktiken, die Zerspanern ermöglichen, neue Werkzeuge und Techniken einzusetzen, um die Spanabtragsrate (MRR) zu erhöhen.

Betriebe, die daran interessiert sind, die Spanabtragsrate (MRR) in Fräsoperationen zu maximieren, können aus einer Reihe von Werkzeugen und Techniken wählen, die das Budget nicht sprengen und keine inakzeptablen Opfer bei Standzeit oder Bearbeitungsqualität erfordern.

Eine kürzlich eingeführte Materialinnovation zielt darauf ab, Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe beim Fräsen von Hochtemperaturlegierungen zu erhöhen – einer Gruppe hochfester Materialien, die Titan, Inconel und PH-Edelstahl umfasst. Diese neue Fräsqualität, KCSM40, verbessert die thermische Beständigkeit von Wendeschneidplatten, die zur Bearbeitung von Hochtemperaturlegierungen eingesetzt werden, so Kennametal aus Latrobe, Pennsylvania, das das Hartmetall-Plattenmaterial entwickelt hat.

Einführung der Ti-6Al-4V-Fräsmaschine

Anwender von aus KCSM40 gefertigten Wendeschneidplatten bearbeiten Ti-6Al-4V nun mit 160 sfm (ca. 49 m/min), wo sie zuvor vielleicht nur 140 sfm erreichten, und erzielen dabei längere Standzeiten, sagt Scott Etling, Kennametals Director of Global Product Management für wendeschneidplattenbestücktes Fräsen.

Etling weist darauf hin, dass Fräskörper unterschiedliche „Dichten“ basierend auf der Anzahl der Wendeschneidplatten im Fräser haben. Ein 4-Zoll-Durchmesser-Fräser könnte beispielsweise 8, 12 oder 15 Zähne haben, wobei ein 15-Zahn-Fräser dieser Größe als sehr hochdicht gilt.

„Wenn Sie in der Lage sind, einen 15-Zahn-Fräser zu fahren, verbessern Sie Ihre Produktivität, weil Sie mehr Zähne im Schnitt haben“, sagt er.

Je mehr Zähne im Fräser, desto mehr Spindelleistung wird jedoch benötigt, sodass einige Fräsmaschinen nicht die nötige Leistung für einen hochdichten Fräser haben. Und selbst wenn sie es tun, könnte die Frässpannung nicht steif genug sein, um die erhöhten Kräfte dieser Fräser zu bewältigen.

„Wir sagen allen, sie sollen sicherstellen, dass sie ihre Spindel verstehen, ihre Schnittkraftberechnungen durchführen und dann den höchstdichten Fräser wählen, den sie fahren können“, sagt Etling.

Besitzer von steifen Maschinen mit Niedriggeschwindigkeitsspindel können einen „helical“ Fräser wie Kennametals neuen Harvi Ultra 8X nutzen, der für längere Standzeiten als herkömmliche Fräser bei hoher MRR ausgelegt ist. Helikale Fräser verfügen über mehrere Reihen von Wendeschneidplatten.

Beispielsweise könnte ein 3-Zoll-Durchmesser-Helikalfrieser fünf Reihen mit je 11 Wendeschneidplatten haben. „Mit 55 Wendeschneidplatten im radialen Eingriff bearbeiten Sie mit einem traditionellen Vorschub, aber entfernen viel mehr Material“, sagt Etling.

Es ist auch wichtig, den richtigen Kühlmitteldurchfluss, -druck und -viskosität zu nutzen, um die MRR in Fräsoperationen zu maximieren. „Werkzeugmaschinenhersteller haben hervorragende Maschinen konstruiert, und Anwender sollten ihre Schneidwerkzeuge mit den höchsten Geschwindigkeiten und Vorschüben fahren, die ihre Maschine zulässt“, sagt Etling.

Spanbildung und MRR mit Kühlmitteln verbessern

Sowohl Produktionsgeschwindigkeit als auch Bauteilqualität können sinken, wenn ein Fräsprozess mit Spanabfuhr zu kämpfen hat. Der CoroMill QD Fräser von Sandvik Coromant aus Fair Lawn, New Jersey, der für das Fräsen von Nuten bis 6 mm Breite ausgelegt ist, nutzt Geometrie und ein neuartiges Kühlmittelzufuhrsystem, um spanbedingte Probleme zu lösen.

Die QD-Wendeschneidplattengeometrie erzeugt Späne, die dünner sind als die gefräste Nut. Diese Späne werden durch Kühlmittel ausgespült, das durch den Fräskörper zu jeder Schneide geleitet wird. Neben der Steigerung der MRR erhöht dieses System die Standzeit und die Oberflächenqualität der gefrästen Bauteile drastisch, sagt Joseph DeRoss, Produktfrässpezialist bei Sandvik Coromant.

Sandvik Coromant verweist auf Nutzerdaten, die zeigen, dass der QD Metall etwa 20-mal schneller abträgt als Wettbewerbsfräser. Zudem berichtet das Unternehmen, dass in einem Fall der QD 75 Teile bearbeitete, bevor die Wendeschneidplatten verschlissen waren, verglichen mit nur 10 Teilen für ein Konkurrenzwerkzeug.

Zwar sind dünnere Späne in diesem Fall wünschenswert, doch zu dünne Späne deuten darauf hin, dass Schneidwirkung und resultierende Hitze auf einen relativ kleinen Teil der Schneidenkante beschränkt sind, was zu Kraterverschleiß, Flankenverschleiß und thermischen Rissen führen kann. Tatsächlich sind zu dünne Späne eine häufige Ursache für geringe Fräsproduktivität und reduzierte Standzeit.

Andererseits deuten zu dicke Späne auf sehr hohe Schnittkräfte hin, die zum Bruch der Wendeschneidplatte führen können. Der Schlüssel liegt darin, den Vorschub zu bestimmen, der die maximale Spandicke ergibt, ohne die Wendeschneidplatten zu überlasten.

„Wenn man die Späne verdickt, legt man sie schneller ab; zudem erhält man längere Standzeit“, sagt DeRoss. Das Erreichen der richtigen Spandicke kann die Fräsproduktivität um 20 % oder mehr steigern, fügt er hinzu.

Späne sollten immer dick sein, wenn ein Fräser in das Werkstückmaterial eintritt, und dünn beim Austritt. Wenn ein Fräser jedoch programmiert ist, gerade in das Material einzutreten, werden dicke Späne am Austritt erzeugt, bis der Fräser vollständig im Material eingriffen hat. Die unerwünschten Folgen sind schlechte Oberflächengüte am Eintritt, reduzierte Standzeit sowie ruckartige Geräusche und übermäßige Vibrationen.

Laut DeRoss gibt es zwei Wege, den Folgen des geraden Eintritts zu entgehen. Eine ist, den Vorschub um 50 % zu reduzieren, bis der Fräser vollständig eingriffen ist. Die andere ist, eine „Roll“-Bewegung in die Fräserbewegung zu programmieren. Diese Technik führt den Fräser im Uhrzeigersinn bogenförmig ein, was die Schneiden sanft in den Schnitt führt, erklärt DeRoss. Die resultierende Spandicke am Austritt ist immer null, sagt er, was Geradeintrittsprobleme beseitigt, ohne den Vorschub zu halbieren.

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Zu Hochvorschub-Techniken wechseln

Eine der beliebtesten Techniken zur Erhöhung der MRR ist das Hochvorschubfräsen, das Fräsen mit schnellen Vorschüben bei relativ flachen Schnitttiefen kombiniert. Ein kleiner Vorlaufwinkel an der Unterseite der für Hochvorschubfräsen verwendeten Wendeschneidplatten reduziert die mittlere Spandicke, was wiederum die Vorschübe erhöht, sagt Tim Aydt, Indexable Milling Product Manager beim Schneidwerkzeuglieferanten Seco Tools aus Troy, Michigan.

„Jetzt schauen Sie auf möglicherweise 200 bis 300 Zoll pro Minute Vorschub, im Gegensatz zu 30 bis 60 Zoll pro Minute“, sagt Aydt.

Auf der Nachseite macht das Füttern mit diesen erhöhten Raten das Hochvorschubfräsen zu einer Schrupptechnik, sodass Anwender möglicherweise einen Nachbearbeitungsschritt benötigen, um das erforderliche Teilefinish zu erreichen.

Optimiertes Schruppen in Betracht ziehen

Eine weitere beliebte Schruppoperation, oft als optimiertes Schruppen bezeichnet, entfernt Material noch schneller als Hochvorschubfräsen, um Teilegeometrien nahe an die gewünschten Formen heranzuführen. Dann kann ein Folgeschritt die finale Geometrie und Oberflächengüte erzeugen.

Optimiertes Schruppen kombiniert große Schnitttiefen mit geringem radialem Eingriff. Die geringen radialen Schnittkräfte reduzieren Spannung und Verschleiß an Maschinenspindeln. Zudem steigt die Standzeit, da beim Schneiden weniger Wärme entsteht. Unter den richtigen Bedingungen können Schneidwerkzeuge für optimiertes Schruppen beim Titanbearbeiten bis zu acht Stunden halten, verglichen mit 30 Minuten bei konventionellen Schneidmethoden, sagt Aydt.

Reduzierte Hitze und radialer Schnitttiefen sind auch für die dramatische Steigerung der Bearbeitungsgeschwindigkeiten verantwortlich. Taschen können beispielsweise bis zu viermal schneller bearbeitet werden als mit konventionellen Methoden. Optimiertes Schruppen eignet sich auch gut für das Bearbeiten gerader Wände, die große axiale Schnitttiefen erfordern.

Die Technik kann auf jedem Material angewendet werden, sagt Jay Ball, Secos Manager für VHM-Fräsprodukte. „Wir haben festgestellt, dass optimiertes Schruppen von hochnickelhaltigen Legierungen sehr vorteilhaft ist“, berichtet er. „Wir sehen auch Kunden, die die Strategie auf Edelstahl, Gusseisen, Werkzeugstähle und sogar Aluminium anwenden.“

Ball sagt, der Wechsel zu optimiertem Schruppen sei wahrscheinlich der Haupttrend, den er bei denen sieht, die ihre Spanabtragsraten erhöhen wollen. „Es ist das Größte seit geschnittenem Brot gerade jetzt.“

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