Swissmem Zerspanungsseminar

Zerspanungsseminar 2015: Perfektioniert bis ins Detail

| Redakteur: Matthias Böhm

Mario Macario (Managing Director, Utilis AG) zeigte auf, wie sich Langdrehprozesse optimieren lassen.
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Mario Macario (Managing Director, Utilis AG) zeigte auf, wie sich Langdrehprozesse optimieren lassen. (Bild: M.Böhm)

Im 4. und letzten Teil der SMM-Serie zum Swissmem-Zerspanungsseminar geht es um die Themen Diamantbeschichtung (ARGOR-ALJBA), High Dynamic Cutting (Fraisa) als auch um die Optimierungspotentiale von Langdrehprozessen (Utilis). Auch an diesen Beispielen zeigt sich, dass mit modernen Fertigungslösungen noch einiges an Potential aus den Produktionsprozessen herausgeholt werden kann.

«Wie man die letzten Zehntel gewinnen kann» war Thema von Mario Macario (Managing Director, Utilis AG, siehe auch Interview in diesem SMM). Konkret ging es um die Prozessoptimierung bei Langdrehautomaten.

Utilis: Langdrehprozess optimieren

Beim Langdrehen gibt es unterschiedliche Massnahmen, die den Prozess optimieren helfen. Um den Schnittdruck zu minimieren, ist es wichtig, höhere Vorschübe zu fahren und die Spantiefe müsse mindestens das 1,5-Fache des Schneidkantenradius betragen. Zudem würde oft mit einem zu kleinen Freiwinkel gefertigt, was die Zerspankräfte ebenfalls erhöht. M. Macario empfiehlt Freiwinkel von 11 °, die den Schnittdruck bis zu 50 % reduzieren.

KSS-Zuführung direkt in den Zerspanprozess

Ein weiterer sehr wichtiger Punkt ist die KSS-Zuführung direkt in den Zerspanprozess. Hier hat Utilis ein KSS-Zuführungssystem (Multidec Lube) entwickelt, das speziell für Langdrehautomaten konzipiert ist. Der grosse Vorteil: Bisherige Werkzeug-Standardhalter können weiterhin genutzt werden und der KSS wird über das Multidec-Lube-System direkt an die Schneide gebracht.

Gewindewirbeln: Anzahl Schneiden matchentscheidend

Ein bedeutender Fertigungsprozess bei Langdrehern ist das Gewindewirbeln. Hier ist die Erhöhung der Schneiden matchentscheidend, wenn es um Produktivitätszuwachs geht. Utilis setzt deshalb auf 12-schneidige Gewindewirbler. Zusätzlicher Vorteil: in der Regel sind zwei Schneiden im Einsatz, wodurch die Zerspankräfte gleichmässiger sind, was sich positiv auf Oberfläche und Präzision auswirkt.

Argor-Aljba: Diamant-beschichtete Werkzeuge

Daniele Marco Galatioto (CEO, Argor-Aljba SA) machte an einem Beispiel der AL-Trockenbearbeitung deutlich, welche Leistungssprünge im Fräsen mit DLC-beschichteten VHM-Werkzeugen (DLC – diamond-like carbon) erzielt werden können. Er verglich in diesem Bereich üblicherweise gebräuchliche unbeschichtete VHM-Werkzeuge mit DLC-beschichteten Werkzeugen.

Die Ergebnisse sind frappant positiv. Unter trockenen Bedingungen konnte die Oberflächenrauheit mit den Diamant-beschichteten Werkzeugen bei den beiden getesteten Materialien AlMg2.5 und AlCu4.5Si12 um die Hälfte reduziert werden. Auch wirtschaftlich ist es interessant. Durch die ta-C-DLC-Beschichtung konnte die Lebensdauer der Werkzeuge erheblich verbessert werden. Durch die geringe Reibung an der Spanfläche ergeben sich ein besserer Spänefluss und eine bessere Oberfläche.

Die Gründe für die hervorragenden Ergebnisse liegen in den Eigenschaften der DLC-Schicht begründet. Die glatte Werkzeugoberfläche (Ra 0.01μm) mit tiefem Reibwert (0.1) mit einer exzellenten Anti-Haft-Eigenschaft ist verantwortlich für das Verhindern von Aufbauschneiden.

Temperaturmessungen haben ergeben, dass die maximale Spantemperatur von 610K (mit unbeschichtetem VHM-Werkzeug, gleiche Geometrie) auf 470K reduziert werden konnte. Hier spielt der Reibungskoeffizient der Werkzeugoberflächen die entscheidende Rolle (VHM: 0.8, DLC-VHM: 0.1). Sowohl die FEM-Simulation der Hitzeentwicklung und die praktischen Untersuchungen der Späne zeigen eindrücklich, wie die ta-C-DLC-Beschichtung die Reibung zwischen Span und Schneide reduziert und so zu kleineren Bearbeitungskräften und tieferen Bearbeitungstemperaturen führt.

8-fache Standzeit bei Kupfer- bearbeitung

Am Beispiel von Kupfersteckern für die Elektronikindustrie konnte mit einem beschichteten Dixi-Bohrer (7242, D = 6 mm) die Werkzeugstandzeit verachtfacht werden, dank DLC-Beschichtung.

Fraisa: HPC – HSC – HFC – HDC

Tiziano Sichi (Leiter Applikationszentrum Fraisa SA) ging in seinem Vortrag auf die Möglichkeiten und Verfahren des Schaftfräsens ein. Im Überblick zeigte er, dass sich das Zeitspanvolumen seit 1985 bis heute um den Faktor 15 erhöht hat. Darüber hinaus ging er auf die verschiedenen Fräsverfahren ein und machte deren Eigenschaften respektive Vorteile transparent.

Hier sind die Verfahren HPC (High Performance Cutting), HSC (High Speed Cutting), HFC (High Feed Cutting) und das «jüngste» HDC (High Dynamic Cutting) zu erwähnen.

Beim HPC-Fräsen soll ein grosses Zeitspanvolumen erzielt werden. Typisch beim HPC-Fräsen ist ein hohes Zerspanungsvolumen je Schnitt. Entscheidend ist eine spezifisch auf HPC-Verfahren abgestützte Fräsergeometrie. Es muss Wert auf extrem stabile Schneidkanten und vergrösserte Spanräume gelegt werden. Die Leistungsaufnahme der Spindel kann sehr gross werden, deshalb sind beim HPC-Fräsen drehmomentstarke Spindel-Antriebe entscheidend.

HSC ist ein seit langem bekanntes Verfahren mit eher kleinen Tiefenzustellungen und hohen Schnittgeschwindigkeiten. Es wird sehr oft im Werkzeug- und Formenbau angewendet für das 3D-Konturfräsen. Mit dem HSC-Verfahren sind sehr hohe Oberflächengüten realisierbar. Die Schnittkräfte sind eher gering, die Drehzahlen hoch, die Drehmomente der Spindeln müssen nicht sehr gross sein.

HFC-Fräsen ist gekennzeichnet durch ein volles ae bei geringem ap und extrem hohen Vorschüben. Es zeichnet sich aus durch sehr hohe Zahnvorschübe bei kleinen Tiefenzustellungen. Speziell beim HFC-Fräsen ist, dass die Fräswerkzeuge mit Geometrien konzipiert sind, die Schnittkräfte in achsialer Richtung lenken. In der Regel ist es eine Schruppbearbeitung

Typische Eigenschaften sind hohe Bearbeitungsvolumen mit tiefen Schnittkräften, gute Entspanungwege der kleinen Späne sowie ein gutes Verschleissverhalten bei sehr harten Werkstoffen (HRC > 60).

Das HDC-Verfahren: trochoides Fräsen

HDC (High Dynamic Cutting) ist in der Fachwelt auch unter trochoides Fräsen bekannt. Beim trochoiden Fräsen wird das Fräswerkzeug hochdynamisch auf einer trochoiden Bahn geführt. Der maximale Eingriffswinkel wird in Abhängigkeit des Werkstoffs definiert. Dadurch ist die Eingriffszeit des Fräsers sehr kurz und die thermische Belastung stark reduziert. Geringe Schnittbreiten und damit kleinere Schnittkräfte erlauben hohe axiale Schnitttiefen, sodass grosse Zerspanungsvolumina erzielt werden können.

Beim dynamischen trochoiden Fräsen wird entlang der trochoiden Bahn die Vorschubgeschwindigkeit moduliert, sodass die Spanmittendicke konstant ist und eine gleichmässige Belastung auf die Schneide wirkt. Die Werkzeuge müssen eine hohe Steifigkeit und Stabilität aufweisen, um gegen Bruch und Vibrationen geschützt zu sein.

Gegenüber konventionellen HPC-Verfahren kann das Zeitspanvolumen mittels HDC um den Faktor 3 erhöht werden. In einem Beispiel beim Fräsen von 1.7225 konnte das Zeitspanvolumen von 46 cm3/min auf 132 cm3/min gesteigert werden. Voraussetzung sind hoch dynamische und stabile Maschinenkonstruktionen. <<

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