Alesa AG: Zeitspanvolumen pro kW

Redakteur: Matthias Böhm

>> Moderne Bearbeitungszentren verfügen über eine enorme Dynamik und höchste Prozesssicherheit. Darüber hinaus wird aufgrund immer komplexer werdenden Geometrien und tiefen Kavitäten vermehrt auf weit auskragende Werkzeuge zurückgegriffen. Generell bringt dies labilere Zerspanungsverhältnisse mit sich. Bei solchen Zerspanbedingungen ist modernste Werkzeugtechnologie gefragt. Wie sich hoch positive Schneiden auf die Zerspankräfte auswirken, was das für das Zeitspanvolumen im Detail bringt und was es darüber hinaus mit dem Quotienten Zeitspanvolumen/Spindelleistung auf sich hat, lesen Sie im Beitrag von Martin Wyrsch.

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Bringt dank hochpositiver Geometrien erheblich mehr Zeitspanvolumen bei gleicher Spindelleistung: der Alesa Speed Planfräskopf. (Bild: Alesa)
Bringt dank hochpositiver Geometrien erheblich mehr Zeitspanvolumen bei gleicher Spindelleistung: der Alesa Speed Planfräskopf. (Bild: Alesa)

Die Möglichkeiten und Eigenschaften moderner Fräs-Bearbeitungszentren haben sich in den letzten Jahren immer weiter entwickelt.

Hauptsächlich wurden die Maschinen leichter, dynamischer und universeller. Diese Entwicklungen lassen 5-Seiten-Bearbeitung in einer Aufspannung zu. Die Universalspindeln haben einen grossen Drehzahlbereich für fast alle Materialien. Die leichten und kompakten Maschinen sind mit leistungsfähigen Steuerungen ausgestattet, welche schnelle 5-Achs-Simultanbearbeitungen erst ermöglichen. Es ist erfreulich, dass mit diese Innovationen endlich viele Bedürfnisse und technische Herausforderungen befriedigt werden können. Aber: ein altes Sprichwort sagt; «Wo viel Sonnenschein ist, hat es oft auch Schatten». Das trifft in gewisser Weise auch auf modernste Bearbeitungszentren zu. Im Vergleich zu älteren 3-Achs Maschinen (12 – 25kW) sind folgende Hauptunterschiede feststellbar:

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  • Die Grundstabilität und das Schwingungsverhalten ist oft schlechter.
  • Das verfügbare Drehmoment und die Spindelsteifigkeit ist kleiner.
  • Mit den klassischen WSP-Werkzeugen können die geforderten Zerspanungs-Leistungen oft nicht erreicht werden.

Öfter weit auskragende Werkzeuge

In der Praxis wird immer häufiger mit weit auskragenden Werkzeugen gearbeitet. Auch die 5-Seiten -Bearbeitung auf den modernen Maschinen-Konzepten zwingt diese Situation auf. Da unter langen Auskragungen radiale Kräfte nur bedingt zulässig sind, muss ein neues Werkzeug folgende Rahmenbedingungen erfüllen:

  • Einleitung der Zerspanungskräfte möglichst axial.
  • Minimale Schnittkräfte durch hochpositive Schneidengeometrien.
  • Höchste Zerspanungsleistung bei kleinem Drehmomentbedarf.
  • Gute Standzeit in unterschiedlichen Materialien.

Spezifische Werkzeuge für diese Bedingungen

Alesa hat sich für ein Weitwinkel-Werkzeug entschieden, welches der Kategorie der Hochvorschub-HPC-Werkzeuge zugeordnet wird. Wobei die Bezeichnung HPC (High Performance Cutting) am besten passt. Als «Hochvorschub» wird fälschlicherweise oft die optisch am schnellsten wahrnehmbare Fräsbearbeitung betrachtet, das ist aber nicht aussagekräftig bezüglich der Wirtschaftlichkeit. Die Zusammenhänge sind komplexer als der erste Eindruck erscheint. Um die Effizienz und Wirtschaftlichkeit von Prozessen vergleichen zu können müssen die Faktoren «Schnitttiefe» x «Eingriffsbreite» x «Gesamtvorschub» als Produkt betrachtet werden. Dieser Wert wird als Zeitspanvolumen «Q» bezeichnet.

Q = (ap x ae x Vf) / 1000

Zeitspanvolumen durch Spindelleistung

Je höher «Q», je kürzer dauert es, ein gefordertes Materialvolumen zu zerspanen. Die grosse Zerspanungs-Herausforderung ist es, mit der vorhandenen Spindelleistung (kW) ein möglichst hohes «Q» erreichen zu können. Die Alesa «Speed-Werkzeuge» erfüllen diese Anforderung. Die Bezeichnung «Speed» umschreibt die beschleunigten Bearbeitungsprozesse und Effektivität.

Wenn das Zeitspanvolumen «Q» durch die Leistungsaufnahme «kW» dividiert wird erhalten Sie einen Leistungswert (Q/kW). Je grösser das «Q» bei gleicher Leistungsaufnahme, je effektiver ist ein Werkzeug. Umgekehrt betrachtet ist es besser für die Maschine, wenn bei kleinerer Leistungsaufnahme das gleiche «Q» erreicht werden kann. Denn je kleiner die Kräfte je Maschinen-schonender läuft der Zerspanungsprozess. Bei vielen Hochvorschubwerkzeugen treten oft Vibrationen auf und durch die hohen Schnittkräfte entsteht starke Reibung und Erwärmung.

Kleiner Winkel mit grossem Einfluss

Seit vielen Jahren ist bekannt, dass ein kleiner Kappa-Winkel einen grossen Einfluss auf die Spandicke hat. Im Vergleich zu einem 45° Planmesserkopf kann bei einem Kappa Winkel von 15° der Zahn - Vorschub mindestens um den Faktor 2.75 vergrössert werden. Auch bei diesen hohen Zahn-Vorschüben bleibt die direkte Belastung an der Schneide in einem prozesssicheren, bewährten Bereich. Alesa hat sich für einen Kappa Winkel von 15° entschieden. Diese Art von Planfräser haben im Vergleich zu einem 45° Planfräser folgende Vorteile:

  • Die Zerspanungskräfte werden verstärkt axial in die Frässpindel eingeleitet.
  • Die Radialkräfte reduzieren sich. Bearbeitungen mit grösseren Verlängerungen sind möglich.
  • Es entsteht ein schälender Eintritt der Schneide. Daraus entstehen spindelschonende Zerspanungs-Prozesse.
  • Die Schneidkanten werden ebenfalls sanfter belastet.
  • Oft entstehen daraus wesentlich verbesserte Standzeiten.

Scharf geschliffene Planfräswendeplatten

Das vorteilhafte Schneidverhalten der hochpositiven, scharf geschliffenen Planfräswendeplatten kommt noch besser zur Geltung. Die verfügbare Maschinenleistung kann mit diesen Fräsern noch besser genützt werden. Auf den neuen Alesa Speed Werkzeugen könne die schon bestehenden SD09 oder SD12 Wendeschneidplatten verwendet werden. Die Werkzeuge mit den SD09 WSP lassen eine Schnittiefe von 1.5 mm zu. Mit den SD12 Werkzeugen sind Schnittiefen bis 2.5 mm möglich.

Alle «Alesa Speed» Werkzeuge sind mit innerer Kühlmittelzuführung für die WSP sowie Zentrums - Spülung ausgeführt. Das führt auch beim Zirkular-Tauchfräsen zu einer guten Kühlung und einer guten Späne-Abfuhr. Der Seengener Werkzeughersteller stellt seit vielen Jahren scharf geschliffene HSS und HM Wendeplatten her. Das neue Werkzeug Alesa Speed vereint die Technologie des Weitwinkelfräsens mit den schnittigen Wendeschneidplatten. Es stehen mehrere unterschiedliche Schneidengeometrien mit PVD-Schichten der neuesten Generationen ab Lager zur Verfügung.

Zusätzlich wurde das WSP-Programm mit neuen SD09 und SD12 Wendeschneidplatten erweitert. Alesa erhöht den Kundennutzen. Die bedarfsbezogene Programmerweiterung deckt den multifunktionalen Einsatz für die Anwender noch besser ab. Neben den beiliegenden Kundenanwendungen liegen noch weitere erfolgreiche Anwendungsberichte in rostfreien Stählen (1.4404, 1.4301, 1.4571), Super-Duplex Legierungen (1.4462-1.4410) sowie in Sphäroguss (GGG40-GGG70) vor und lassen aufhorchen.

Kundenanwendung 1: Bearbeitungszeit halbiert

Die Fa. Martin Müller GmbH ist ein Lohnfertiger für kleine und mittlere Serien. Die Stärken liegen in der Bearbeitung von Schweisskonstruktionen sowie im Prototypenbau. Es können Kunststoff bis rostfreie Materialien bearbeitet werden. Bei diesem Beispiel war das Bearbeitungsproblem der rostfreie Stahl 1.4404. Bisher konnte 1.4404 (X2 CrNiMo 17-13-2) nicht zufriedenstellend bearbeitet werden. Die Zerspan-Kräfte auf der Hurco VMX30 waren sehr hoch. Die Spindelleistung von 13.5 kW mit SK40 Aufnahme war schnell erreicht.

Die Werkzeugstandzeiten waren schlecht und die Kosten hoch. Im August 2010 musste eine Serie von ca. 280 Teilen von 50x50 auf ca. 40x40 gefräst werden.

Mit dem neuen Werkzeug «Alesa Speed» Ø63 Z=6 konnte die Bearbeitungszeit halbiert werden. Bei einer Drehzahl von 765 U/min (Vc=180m/min) und einem Vorschub von 3215 mm (0.7mm/Z) bei 1.6 mm Schnittiefe dauerte die Schruppbearbeitung ca. 1 Minute pro Werkstück. Bei einer Spindel-Last von 9-10kW erreichten die WSP SDFT12-223 AlCrN eine Standzeit von 120 Minuten. Inhaber Martin Müller sagt in diesem Zusammenhang: «Wir sind mit dem Resultat mehr als zufrieden und haben inzwischen andere schwierige Werkstoffe erfolgreich bearbeitet.»

Kundenanwendung 2: Schwingungen eliminiert

Die Firma Hans Meier AG aus Altishofen verfügt über einen modernen Maschinenpark. Es wird ein grosses Teile- und Materialspektrum mechanisch bearbeitet. Die Werkstücke werden für den Anlagenbau, Pumpenbau und Umwelttechnik produziert. In folgender Anwendung mussten Bohrungen Ø 120 x 280 in geschmiedetem Ck 45 erzeugt werden. Das Hauptproblem lag darin, dass die HSK63-Maschine mit der langen Werkzeugauskragung sehr schnell in Schwingungen geriet.

Mit den auf dem Markt üblichen Hochvorschub WSP-Werkzeugen entstanden sehr grosse Schnittdrücke, welche die Werkstücke auch von der Aufspannung verschoben. Mit dem Werkzeug «Alesa Speed» Ø50 Z=6 und SDFT09-223 konnte das Problem gelöst werden. Bei einer Drehzahl von 1300 1/min (Vc=265m/min) und einem Vorschub von 3000 mm/min verlief der Prozess ruhig und eine Standzeit von ca. 60 Minuten zeigt eindrücklich die Leistung der SDFT09-223. Wie die Beispiele aus der Praxis zeigen, lassen sich mit auf die Prozesse hin optimierten Werkzeugen das Zeitspanvolumen erhöhen und das bei gleicher Leistung der Maschine. <<

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