Horn entwickelt System fürs Fräsen im Grenzbereich

Hochleistungsfräsen: Ein Begriff, der oft mit der Großserienfertigung verbunden wird. Die Bedeutung und die Unterschiede zur normalen Fräsbearbeitung von Bauteilen erklärt sich durch verschiedene Merkmale und Anwendungsgebiete.

Eine hohe Leistungsfähigkeit der Maschine erfordert bei großen und schweren Werkstücken stabile Werkzeugkonstruktionen. Das Hochleistungsfräsen beschreibt sich nicht nur durch hohe Zustellungen, sondern auch durch kleine Zustellungen mit hohen Vorschüben beim Hochvorschubfräsen.

Die Zerspanaufgaben haben sich gewandelt. Die Herausforderungen in der Zerspanung sind vielschichtiger und anspruchsvoller geworden. Durch kürzere Produktlebenszyklen und Reduktion der Entwicklungszeiten werden auf einer Maschine in kürzeren Zeitintervallen mehrere unterschiedliche Bauteile gefertigt. Dies heißt für den Werkzeughersteller eine zielgerichtete Definition des Werkzeugsystems für die unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten. Das bedeutet beispielsweise, dass das Werkzeug nicht nur zum Eckfräsen zum Einsatz kommt, sondern auch die Möglichkeit zum Eintauchen haben sollte.

Ein weiterer Aspekt sind dynamische Maschinenkonzepte. Die Verfahrgeschwindigkeiten (Beschleunigung und Abbremsen) der Achsen sowie die Synchronisation der Achsen ist deutlich optimiert worden. Für relativ neue Technologien wie das Trochoidal- und Hochvorschubfräsen müssen die Werkzeugsysteme entsprechend definiert sein, um den dynamischen Belastungen standzuhalten.

Frässystem erlaubt hohes Zeitspanvolumen bei geringer Zustellung

Vor einigen Jahren stellte Horn das Frässystem zum Hochvorschubfräsen vor. Die DAH-Fräser schneiden stirnseitig. Durch die Belastung in Achsrichtung ist die Werkzeugspindel vorwiegend auf Druck belastet und die Querkräfte sind verhältnismäßig niedrig. Wegen der geringen Vibrationsneigung können die Werkzeuge die hohen Belastungen bei den üblichen Zahnvorschüben von f_z = 1 Millimeter bei Schnitttiefen a_p bis 1,2 Millimeter sicher aufnehmen.

Der große Radius an der Hauptschneide der dreischneidigen Wendeschneidplatten erzeugt einen weichen Schnitt, sichert eine gleichmäßige Aufteilung der Schnittkräfte und damit lange Standzeiten. Auf der Innenseite sorgt ein kleiner Schneidenradius für ein problemloses und schnelles Eintauchen. Ein Primär- und Sekundärfreiwinkel führt zu einem stabilen Keilwinkel und sehr guter Schneidenstabilität.

Durch bedeutend höhere Vorschübe als beim konventionellen Fräsen ist das Zerspanvolumen beim Hochvorschubfräsen wesentlich höher, trotz der geringeren Zustelltiefen.

14-mal schneller als bisher fertigt ein Horn-Kunde ein Bauteil aus 42CrMo4, vergütet auf 1.000 N/mm². Die Herausforderung bestand in einem Axialeinstich des runden Werkstückes. Der Axialeinstich misst im äußeren Durchmesser rund 240 Millimeter, ist 40 Millimeter breit und hat ohne Schlichtaufmaß eine Tiefe von knapp 90 Millimeter.

Mit einem mit Wendeschneidplatten bestückten Vollradius-Torusfräser benötigte der Kunde zum Schruppen des Einstichs rund 100 Minuten. Die Standzeit lag bei 30 Einstichen pro Bestückung des fünfschneidigen Werkzeugs. Der hohe Zeitaufwand verlangte eine Optimierung.

Die Horn-Techniker stellten den Prozess auf das Hochvorschubfräsen um. Die Schnittgeschwindigkeit ist mit v_c = 150 m/min programmiert. Das Werkzeug taucht helikal mit einer kontinuierlichen Zustelltiefe von a_p = 1 Millimeter in das Werkstück ein. Die Vorschubgeschwindigkeit (Drehzahl des Bauteils) liegt bei v_f = 4.777 mm/min. Der Vorschub pro Zahn liegt bei f_z = 0,8 mm/min.

Die neue Bearbeitungszeit des Einstiches liegt jetzt bei nur noch sieben Minuten pro Bauteil. Die Standzeit der Wendeschneidplatten erhöhte sich auf 90 Bauteile pro Bestückung.

Frässysteme DAH82 und DAH 84 verfügen über acht nutzbare Schneidkanten

Im Jahr 2020 stellte Horn eine Weiterentwicklung des Werkzeugsystems zum Hochvorschubfräsen vor. Mit den Systemen DAH82 und DAH84 zeigt Horn eine neue Generation für dieses Fräsverfahren. Die acht nutzbaren Schneiden der präzisionsgesinterten Wendeschneidplatte bieten einen günstigen Schneidenpreis und eine hohe Wirtschaftlichkeit. Die positive Schneidengeometrie sorgt trotz der negativen Einbaulage für einen weichen und ruhigen Schnitt sowie für einen guten Spanabfluss.

Die Schneidplatten bietet Horn in dem Substrat SA4B an, welches sich für den universellen Einsatz in verschiedenen Werkstoffen eignet. Der große Radius an der Hauptschneide der Wendeschneidplatte erzeugt einen weichen Schnitt, sichert eine gleichmäßige Aufteilung der Schnittkräfte und sorgt damit für lange Standzeiten. Die maximale Schnitttiefe liegt bei a_p= 1,0 Millimeter (DAH82) und a_p = 1,5 Millimeter (DAH84).

So schlägt sich das Werkzeugsystem im Einsatz

Das Werkzeugsystem ist erfolgreich in den Markt gestartet. Ein Beispiel zeigt eine Anwendung aus dem Werkzeug- und Formenbau. Die Zerspanaufgabe war die Schruppbearbeitung einer Form. Der Anwender benötigte mit dem bisher eingesetzten Werkzeugsystem zum Hochvorschubfräsen rund 15 Minuten für den Bearbeitungsprozess.

Mit dem Horn-System DAH 82 konnten die Horn-Techniker die Bearbeitungszeit auf unter sechs Minuten reduzieren. Dies gelang durch die Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit von 2.500 mm/min auf nun 6.900 mm/min. Neben der verkürzten Bearbeitungszeit erhöhte sich darüber hinaus auch der Standweg pro Schneidkante.

Die verschiedenen Anforderungen an das Hochleistungsfräsen können aus unterschiedlichen Perspektiven betrachtet werden und stellen unterschiedliche Leistungsmerkmale an die produktive Bearbeitung. Zum einen steht die Flexibilität der Werkzeugkonzeption im Verhältnis zu den unterschiedlichen Bauteilen zueinander. Zum anderen sollte das eingesetzte Fräsverfahren zur Maschinenkonzeption passen. Darüber hinaus verlangen hochgenaue Oberflächen und hochwarmfeste Werkstoffe immer eine konzeptionelle Betrachtung des eingesetzten Werkzeugsystems.

Hohe Schnitttiefen mit bis zu 25 Millimeter beim Planfräsen mit Wendeschneidplatten sind keine Seltenheit. Damit verbunden waren häufig entsprechend große Fräsmaschinen mit einer Getriebespindel sowie großen und stabilen Schnittstellen. Die Konstruktion der eingesetzten Werkzeuge verlangt vom Werkzeughersteller einiges an Know-how. Hohe Schnitttiefen (a_p), hohe seitliche Zustellungen (a_e) und hohe Vorschubgeschwindigkeiten (v_f) setzen eine stabile Werkzeugkonstruktion voraus.

Als Beispiel dient eine Bearbeitung eines Gehäuses aus GG26CuCr. Die Schruppbearbeitung realisierte Horn mit dem Tangentialfrässystem 409. Der Durchmesser des Werkzeugs liegt bei 200 Millimeter und 20 Zähnen. Die seitliche Zustellung liegt bei a_e = 125 Millimeter und die Tiefe bei a_p = 8 Millimeter. Die Schnittgeschwindigkeit liegt bei v_c = 170 m/min bei einem Zahnvorschub f_z von 0,27 Millimeter.

Bei einer sehr niedrigen Drehzahl von 271 min^-1 muss die Spindelleistung und die Werkzeugkonstruktion so ausgelegt sein, dass eine Leistung von P_c = 50,8 Kilowatt und ein Schnittmoment von Md = 1.792 Newtonmeter realisierbar sind.

Quelle: Paul Horn GmbH