Mapal: Gesamtheitlich Prozesse optimieren Maschine, Werkzeug und CAM-Strategie im Einklang

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Damit Werkzeug- und Formenbauer mit den dort bevorzugten Standardwerkzeugen wirtschaftlich fertigen können, haben der Werkzeughersteller Mapal und der Maschinenhersteller Röders das Zusammenspiel von Maschine, Werkzeugen und CAM-Strategie optimiert.

Mapal fokussierte über viele Jahre auf Sonderwerkzeuge. Mit ihnen lassen sich Fertigungsprozesse vor allem in der Serienfertigung, zum Beispiel in der Automobilindustrie, erheblich produktiver und wirtschaftlicher bewältigen. Allerdings stellt Mapal inzwischen auch eine Vielzahl an Standardwerkzeugen beispielsweise für den Werkzeug- und Formenbau her. Dazu sagt Dietmar Maichel, Global Head of Segment Management Die & Mould: «Mapal ist führend im Bereich von Hochleistungswerkzeugen mit speziell an die Kundenanforderungen angepassten Eigenschaften.» Doch stieg in den vergangenen Jahren der Anteil an kurzfristig verfügbaren Standardwerkzeugen, wie das umfangreiche Produktprogramm für den Werkzeug- und Formenbau zeigt. Von etwa 6500 Standardwerkzeugen sind 5000 ab Lager verfügbar. Sie weisen im Formenbau besonders gefragte Eigenschaften auf, zum Beispiel die Eignung zur Bearbeitung hochharter Werkstoffe bei engen Toleranzen. Letzteres ist wesentlich für die Erzielung einer hohen Genauigkeit bei exzellenter Oberflächengüte.

Mit Maschinenherstellern kooperieren

«Für ein Pilotprojekt zur Erstellung eines Formwerkzeugs suchten wir einen innovativen Maschinenhersteller als Partner», berichtet Dietmar Maichel. Karsten Wolff, Gebietsverkaufsleiter für Norddeutschland und Dänemark bei Mapal, stellte den Kontakt zum Maschinenhersteller Röders GmbH in Soltau her. Bereits erste Gespräche verliefen sehr vielversprechend und mündeten in einer Zusammenarbeit. Die Spezialisten des Werkzeugherstellers konstruierten in Abstimmung mit dem Maschinenhersteller ein Probebauteil, das dem Kern für ein grossflächiges Spitzgiessbauteil nachempfunden war. Die Geometrie wies diverse bearbeitungstechnische Handicaps sowie strenge Vorgaben bezüglich der Oberflächengüte auf und stellte sehr hohe Anforderungen an die Bearbeitung. Als Werkstoff wurde der im Formenbau verbreitete und auf 50 +/-2 HRC durchgehärtete Stahl Werkstoff-Nr. 1.2343 gewählt. Component Manager Francesco Ingemi von Mapal erstellte mit dem CAM-Programm Hypermill von OpenMind eine optimale Frässtrategie und definierte dabei die optimal geeigneten Werkzeuge.

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Maschine und Werkzeuge aufeinander abstimmen

Im Bereich Werkzeug- und Formenbau sind die Anforderungen bezüglich Präzision und Oberflächengüte besonders hoch. Wie Dr.-Ing. Oliver Gossel, Vertriebsleiter Maschinenbau der Röders GmbH, berichtet, werden sie ständig weiter nach oben geschraubt. Deshalb sollen Fräsmaschine und Fräswerkzeuge harmonieren. «Dabei geht es nicht nur um Schneidstoffeigenschaften, Spindelleistung und Vorschubgeschwindigkeit, sondern beispielsweise auch um Steifigkeit gegen Werkzeugabdrängung, Schwingungsdämpfung oder auch um Nullpunktstabilität bei Bearbeitungen, die stunden- und sogar tagelang durchlaufen», führt Oliver Gossel aus. Eine wichtige Rolle spielen zudem hochgenaue Messsysteme für die Kontrolle der Achspositionen sowie für die Vermessung der Werkzeuge.

Fünfachsig bearbeiten

Genutzt für den Pilotversuch im Technikum des Maschinenherstellers wurde eine HSC-5-Achs-BAZ RXP 601 DSH. Dieser Maschinentyp hat sich in zahlreichen Formenbaubetrieben als robustes und zugleich hochpräzises Arbeitspferd bewährt. Das vom Werkzeughersteller vorgeschlagene NC-Programm wurde gemeinsam mit den HSC-Spezialisten von Röders unter Berücksichtigung der Leistungsdaten, insbesondere der möglichen hohen Dynamik, auf das Bearbeitungszentrum optimiert. Im Ergebnis entstand eine hinsichtlich Genauigkeit und Oberflächenqualität optimierte Frässtrategie, bei der auch die sekundären Ziele einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit sowie eines minimalen Werkzeugverschleisses nicht ausser Acht gelassen wurden.

Schruppen und Schlichten bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten

Für die Bearbeitung kamen insgesamt 16 unterschiedliche Werkzeuge zum Einsatz. Einige sind aufgrund ihrer aussergewöhnlichen Eigenschaften besonders hervorzuheben. In der Reihenfolge der Bearbeitungsabläufe ist das zunächst der Hochvorschubfräser OptiMill-3D-HF-Hardened, der für das Abtragen grosser Werkstoffmengen zum Einsatz kam. Der sechsschneidige Fräser mit 16 mm Durchmesser schruppte bei 170 m/min Schnittgeschwindigkeit 0,5 mm Vorschub pro Zahn. Er erreichte somit mehr als 10 m/min Vorschubgeschwindigkeit. Der Fräser ist speziell zum Schruppen gehärteter, über 56 HRC harter Bauteile geeignet. Er zeichnet sich als sehr fehlerverzeihend im unterbrochenen Schnitt aus. Auch bei Schlichtprozessen erzielt der Fräser dank seiner innovativen Stirngeometrie hohe Oberflächengüten. Ein fünfschneidiger Eckradiusfräser OptiMill-3D-CR-Hardened mit 10 mm Durchmesser kam für die Finishbearbeitung des oberen Bereichs – Planfläche, Kontur und Radiusübergang – zum Einsatz. Dieser sehr stabil ausgelegte Fräser mit hoher Radiusgenauigkeit eignet sich zur Finishbearbeitung von Werkstoffen bis 66 HRC. Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten erzeugt er erstklassige bis hin zu hochglänzende Oberflächen.

Kreisradius- und Finishfräser mit Wiper- Geometrie

Dank seiner speziellen Geometrie bearbeitet der Kreisradiusfräser OptiMill-3D-CS, der wahlweise in Tropfen- oder Kegelform verfügbar ist, Werkstückflanken bei hoher Zustellung fertig und reduziert die Bearbeitungszeit. Im Vergleich zu üblichen Kugelfräsern lassen sich bei gleichem Zeilensprung und gleicher Bearbeitungszeit hochwertigere Oberflächengüten erzielen. Noch besser ausspielen kann der Fräser die Vorteile seiner Geometrie bei grös­seren Zeilensprüngen. Hier lassen sich die Prozesszeiten bei gleicher oder besserer Oberfläche um bis zu 80 Prozent verringern. Die hohe erzielbare Oberflächenqualität ermöglicht zudem eine merkliche Verringerung des Polieraufwands. Der Fräser mit radial eingesetzten Wendeschneidplatten NeoMill-3D-Finish eignet sich universell für Schlichtbearbeitungen gehärteter Werkstoffe. Die besonders verschleissfesten und exakt gefertigten Wendeschneidplatten mit axialer und radialer Wiper-Geometrie ermöglichen höhere Werte für Schnitttiefe sowie Vorschub pro Zahn und damit eine höhere Produktivität. Eine Vollhartmetallverlängerung macht zudem vibrationsarmes Schlichten auch in grossen Tiefen möglich. Beide Werkzeuge benötigen für einen idealen Betrieb hohe Vorschubgeschwindigkeiten. Das gilt auch für stark gekrümmte Fräserbahnen. Dies lässt sich mit den Bearbeitungszentren dank hoher Dynamik verwirklichen. «Auch nach der Bearbeitung von Innenecken, bei der die Geschwindigkeit auf Null reduziert werden muss, werden nach kürzester Zeit wieder ideale Schnittwerte erreicht», erläutert Oliver Gossel. Anwender erreichen daher sowohl sehr lange Werkzeugstandzeiten als auch hervorragende Fräs­ergebnisse. «Ein sehr schönes Beispiel für die gewünschte Synergie zwischen Maschine und Werkzeugen», unterstreicht Karsten Wolff.

Ganzheitlich Prozesse optimieren

Die Zusammenarbeit von Werkzeug- und Maschinenhersteller hat überzeugt, sowohl während der Definition der Bearbeitungsstrategie als auch in der Praxis. Die Bearbeitung des Musterbauteils dauerte acht Stunden und zwölf Minuten, bei einer durchgängigen Oberflächenrauheit Ra 0,09 bis 0,12 µm. Dazu erläutert Oliver Gossel: «Hervorzuheben ist, dass für die Schlichtarbeitsgänge des Projekts zahlreiche unterschiedliche Werkzeuge eingesetzt wurden. In der Praxis wird dies oft unterlassen, weil es aufgrund unzureichender Werkzeuggenauigkeit beziehungsweise Maschinensteifigkeit oder -genauigkeit, zum Beispiel durch thermische Drifts, zu Problemen durch Absätze am Werkstück kommen könnte.» Um dies zu vermeiden, nimmt der Anwender lange Bearbeitungszeiten in Kauf. Bei dem hier vorgestellten Projekt gab es aufgrund der Qualität von Maschine, Werkzeugen und CAM-Programmierung dagegen keine derartigen Risiken. Die gewählte, für die jeweiligen Oberflächensegmente ideale Strategie schlug sich in einer kurzen Bearbeitungszeit nieder. Das Projekt einer gemeinsamen Optimierung hat gezeigt, dass Werkzeug- und Maschinenhersteller bei einer übereinstimmenden Philosophie für Anwender deutliche Verbesserungen hinsichtlich wirtschaftlicher und produktiver Fertigung verwirklichen können. SMM

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