Maschinenproduktivität maximieren mit Experten-Chip-Dünnungstechniken

Von der Verlängerung der Standzeit bis hin zur Nutzung patentierter Spanabfuhr-Werkzeuge und -Techniken – Chip-Dünnung ist zentral für die Maximierung der Maschinenproduktivität in der Metallbearbeitung heute.

Solange Zerspaner vor manuellen Fräsmaschinen standen, wussten sie: Je geringer die Schnittbreite, desto geringer die Schneidkräfte. Die Spindel wird leiser; der Hebel leichter zu drehen. Nimmt man jedoch einen zu leichten Schnitt, ohne gleichzeitig den Vorschub zu erhöhen, leidet die Standzeit, da der Fräser an sich selbst reibt – und stumpf wird wie ein altes Buttermesser. Lernen Sie, Chip-Dünnung mit heutigen Technologien zu Ihrem Vorteil zu nutzen. Ob radiale oder axiale Chip-Dünnung – oder trochoidale Werkzeugbahnen – der Beweis liegt im Werkzeug und in der Technik.

Vorschübe für radiale Chip-Dünnung und Planfräsen: Die Mathematik machen

Radiale Chip-Dünnung, die immer auftritt, wenn der radiale Schneideneingriff unter 50 Prozent des Fräserdurchmessers fällt, ist auf CNC-Bearbeitungszentren genauso relevant wie auf manuell bedienten Kniemaschinen. Zum Beispiel erzeugt ein 1/2-Zoll (12,7 mm), 4-schneidiger Schaftfräser mit 0,01 Zoll pro Zahn (IPT) Vorschub und 1/4-Zoll (6,35 mm) oder größerem Seitenschritt (radiale Schnitttiefe) eine Spandicke gleich dem programmierten IPT-Vorschub, also 0,010 Zoll (0,254 mm). Verringert man den Seitenschritt auf 10 Prozent (0,050 Zoll / 1,27 mm), muss der IPT-Wert auf 0,0167 Zoll (0,424 mm) erhöht werden, um vergleichbare Spandicke zu erreichen.

Nicht alle Chip-Dünnung ist jedoch radial. Planfräsoperationen werden typischerweise mit wendeschneidplatten 45-Grad-Eckwinkel oder Rundschneiden-Knopffräsern durchgeführt, die beide Chips axial dünnen. Sie lenken auch Schneidkräfte nach oben in die Spindel – genau dahin, wo Sie sie haben wollen. In jedem Fall muss der Vorschub wahrscheinlich erhöht werden, um den Chip-Dünnungseffekt zu kompensieren, oft weit höher als erwartet.

Das Chip-Dünnungsszenario wird noch komplexer, wenn Schneidwerkzeuge in Ecken eilen, um Inseln rasen und tief in Taschen eintauchen. Vorschübe müssen kontinuierlich angepasst werden (genauso wie die Werkzeugbahnen selbst), um sich ändernde Eingriffswinkel und deren Auswirkung auf die Spandicke zu kompensieren. Glücklicherweise sind die meisten CAM-Systeme heute durchaus in der Lage, diese Berechnungen durchzuführen, und viele nutzen den Chip-Dünnungseffekt, um die Spanabfuhrraten erheblich zu steigern.

Dynamisch werden mit trochoidalen Werkzeugbahnen

Indem man leichtere radiale Schnitte bei höheren Vorschüben und längerem axialem Eingriff macht (oft den Fräser entlang seiner gesamten Länge vergräbt), werden Schneidkräfte reduziert und Standzeit verbessert. Diese „trochoidalen“ Werkzeugbahnen bieten der Zerspanungsgemeinschaft erhebliche Chancen. Die Tage einfacher Ovalbahn-Seitenschritte und inkrementeller Z-Achsen-Schnitte werden zugunsten von „Dynamic Motion“, „Volumetric Milling“, „Adaptive Clearing“ und ähnlichen patentierten Schruppstrategien aufgegeben, die meisten versprechen Spanabfuhrraten 1,5- bis 2-mal höher als traditionelle Methoden.

Wenn Ihre Werkstatt dieses neue Programmierparadigma noch nicht untersucht hat, ist es höchste Zeit, dies zu tun. Aber auch für diejenigen, die solche Werkzeugbahnen bereits nutzen, sollten eine Reihe zusätzlicher Bearbeitungsstrategien implementiert werden, wenn maximale Produktivität erreicht werden soll.

Neuere Schaftfräser einsetzen

Gestriges Schaftfräser könnten für heutige Werkzeugbahnen ungeeignet sein. Höhere Vorschübe und Spindeldrehzahlen führen eher zu Rattern, ein Zustand, der oft auf den leichteren, schnelleren Linearguide-Maschinen, die heutzutage in Werkstätten üblich sind, verschärft wird. Eine breite Palette von High-Performance-Schaftfräsern ist verfügbar, viele ausgestattet mit hohem Spanwinkel, variabler Teilung und manchmal variabler Helix-Geometrie, die Rattern stoppen, bevor es beginnen kann. Einige haben 5, 6 und sogar 7 Schneiden, was sie besonders gut für leichte Schnitte und hohe Vorschübe geeignet macht.

Vorteile der Spanabfuhr nutzen

Meinungen gehen hier auseinander, aber wenige würden bestreiten, dass der Großteil der Hitze, die während effizienter Fräsoperationen entsteht, mit dem Span abtransportiert wird. Deshalb schlagen einige vor, dass ein Luftstrahl, um den Span aus der Arbeitszone zu bekommen und Wiederaufschneiden zu vermeiden, alles ist, was beim Zerspanen vieler Stähle und Superlegierungen nötig ist. Andere schwören auf Hochdruckkühlsysteme, die in der Lage sind, sauberes, gefiltertes Kühlschmiermittel durch das Werkzeug mit 1.000 psi (ca. 70 bar) oder mehr zu senden. Welchen Ansatz Sie wählen, hängt vom Material, Schneidwerkzeug und Werkzeugbeschichtung ab, aber beide sind eine Überlegung wert (ebenso wie Minimalmengenschmierung, MQL, eine zunehmend beliebte Alternative zu traditionellem Kühlschmiermittel).

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Härteres Hartmetall verwenden

Konventionelle „Schrupp“-Methoden verlangen nach zähem Hartmetall, das schweren Schneidkräften und Vibrationen standhält, die mit dem Vergraben eines Werkzeugs einhergehen. Aber leichte radiale Schnitttiefen und hohe Vorschübe bedeuten, dass eine härtere Hartmetallsorte verwendet werden kann, in den meisten Fällen versprechend längere Standzeit. Und da bei High-Feed-Milling (HFM) größere Wärmemengen erzeugt werden, sollte eine TiAlN- oder vergleichbare Mehrphasen-Werkzeugbeschichtung verwendet werden, um Schmierfähigkeit zu bieten, Verschleißeigenschaften zu verbessern und Standzeit und Vorhersagbarkeit weiter zu verlängern.

Tolle Werkzeughalter finden

Mit mehreren hundert Zoll pro Minute durch einen Brocken Edelstahl oder Titan zu reißen, ist eine schöne Sache – aber nur, wenn keine Chance besteht, dass der Fräser sich löst und Splitter von einem Ende der Werkstatt zum anderen schickt. HFM-Strategien wie diese erfordern hochwertige hydraulische oder Schrumpfspannfutter, von denen einige spezielle Nuten oder Flächen haben, um Ausziehen zu verhindern. Und wenn Sie das Werkzeug mit mehr als 8.000 min⁻¹ drehen (was Sie fast sicher tun werden), wollen Sie es auch auswuchten. Rundlauf und Vibration sind Produktivitätskiller.

Fest zupacken

Während Sie dabei sind: Wie spannen Sie das Teil? Es stimmt, dass Schneidkräfte mit HFM im Allgemeinen niedriger sind als beim alten Rip-and-Snort-Ansatz, aber das heißt nicht, dass der ramponierte Maschinenschraubstock, den Sie seit der ersten Bush-Präsidentschaft nutzen, die erste Wahl für Werkstückspannung ist. Eine Vielzahl hochpräziser, kraftvoller und in vielen Fällen hydraulischer oder pneumatischer Spannlösungen existiert heute auf dem Markt. Während Sie dabei sind, schauen Sie sich auch einige der Schnellwechsel-Optionen an, denn sobald Sie eine HFM-Frässtrategie übernehmen, werden Sie sicher häufiger Jobs einrichten.

Natürlich gibt es mehr zu HFM als Chip-Dünnung und trochoidale Werkzeugbahnen. Schneidwerkzeuge sollten mit allmählichen Bogenbewegungen in den Schnitt hinein und heraus geführt werden. Innenecken müssen möglicherweise „gepickt“ werden, um übermäßigen Schneideneingriff zu vermeiden, der das Werkzeug brechen könnte. Vermeiden Sie scharfe Kurven und 90-Grad-Ecken durch Nutzung von Radius-Werkzeugbahnen.

Einen vorhersehbaren, reproduzierbaren Prozess für Werkzeugrückstellung schaffen

Über allem streben Sie nach vorhersehbaren Prozessen. Alle Schneidwerkzeuge werden irgendwann versagen, aber zu wissen, wann und wie Verschleiß auftritt und Werkzeuge dann vor katastrophalem Versagen auszutauschen, ist ein No-Brainer, auch wenn es bedeutet, ein Werkzeug vor seiner Zeit zurückzustellen. Dokumentieren Sie Ihr Setup und führen Sie ein kontinuierliches Protokoll über Vorschub- oder Drehzahländerungen, welche Werkzeuge gewechselt wurden und warum, und welche Zerspanungsbeobachtungen zum jeweiligen Zeitpunkt relevant schienen. Das wird Überraschungen verhindern und Ihnen erlauben, die Spanabfuhr zu maximieren.

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