High Speed Cutting/CAM

Das High Speed Cutting (HSC) ist in der Zerspanungstechnik heute weit verbreitet. Durch die Verwendung der HSC-Technologie können Bearbeitungszeiten drastisch reduziert werden. Gerade im Werkzeug- und Formenbau bieten sich große Potentiale durch den Einsatz von HSC-Verfahren, da in diesem Bereich häufig Freiformflächen zu bearbeiten sind.
Die Schlichtbearbeitung dieser Flächen erfolgt dabei meist durch 3+2-achsiges Fräsen mit Kugelkopffräsern. Um die gewünschten Geometrien, Toleranzen und Oberflächen zu erzeugen, muss dabei mit sehr kleinen Bahnabständen gearbeitet werden, um manuelle Nacharbeiten zu minimieren. Bei zu großen Bahnabständen ist die manuelle Nachbearbeitung häufig ein nötiger Arbeitsgang, um Rillenprofile der Werkstückoberfläche zu glätten und die geforderten Oberflächenqualitäten zu erreichen.
Der Einsatz von HSC-Bearbeitungen bietet hier die Möglichkeit Maschinenzeiten zu verkürzen, auch wenn mit engeren Bahnabständen als bei konventionellen Verfahren gearbeitet wird. Durch die so erhaltenen glatteren Oberflächen verkürzt sich zusätzlich noch die manuelle Nacharbeit, falls auf diese nicht sogar komplett verzichtet werden kann. HSC-Bearbeitungen bieten somit einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil durch die verkürzten Durchlaufzeiten und die daraus resultierenden Kostenvorteile.

Was heißt schnell?
Betrachtet man die Anforderungen, die zu erfüllen sind um HSC-Bearbeitungen durchzuführen, bestimmen zunächst die technologischen Parameter den HSC-Bereich. Dabei ist von einer fünf- bis zehnfach höheren Schnittgeschwindigkeit als beim konventionellen Zerspanen auszugehen. Dies bedeutet einerseits, dass fünf bis zehn Mal höhere Drehzahlen zu realisieren sind. Und andererseits, dass bei gleichen Zahnvorschüben wie beim konventionellen Fräsen auch die Vorschubgeschwindigkeiten erhöht werden müssen. Dadurch ergeben sich für die Maschine gesteigerte Ansprüche an die Dynamik. So zeichnet sich beispielsweise die am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU-Darmstadt entwickelte Linearmotormaschine ¿Hidyn II¿ durch eine maximale Beschleunigung von 20 m/s² und Eilganggeschwindigkeiten von bis zu 100 m/min aus.
Neben der Dynamik sind hohe Eigenfrequenzen und schnelle Steuerungen für HSC-Maschinen notwendig. Über die Steuerung entstehen auch zwangsläufig Anforderungen an die Qualität der NC-Daten, mit denen die Steuerung die Maschine betreibt. Hier kann durch die Verwendung von HSC-gerechten CAM-Systemen positiver Einfuß auf die NC-Programme und damit auf den gesamten Bearbeitungsprozess genommen werden.

Wann ist CAM HSC-gerecht?
Die Forderung nach CAM-Systemen, die eine schnelle, sichere und einfache Generierung von Werkzeugbahnen ermöglichen, wird auch für konventionelle Bearbeitungsverfahren gestellt. Für HSC-Bearbeitungen gewinnt diese Forderung eine andere Qualität, da bei langsamer, umständlicher Bedienung der CAM-Systeme die NC-Programmierung die Produktion bremsen kann. Ein schnelles, gut bedienbares CAM-System kann hier das Verhältnis der Programmierzeit zur ¿ verkürzten -- Bearbeitungszeit günstig beeinflussen. Mögliche Vorteile durch reduzierte Lieferzeiten, die durch HSC-Bearbeitungen erzielt werden sollen, können durch den Einsatz schneller Systeme unterstützt und weiter ausgebaut werden. Bedenkt man die engeren Bahnabstände, die beim HSC-Fräsen verwendet werden, und die sich daraus ergebenden großen Datenvolumen, so sollten hier hochperformante Programme auf ebenso performanter Hardware eingesetzt werden.
Neben der Forderung nach schnellen CAM-Systemen ist die Prozesssicherheit der NC-Daten ein wesentlicher Aspekt. Einerseits verringert sich die zur Verfügung stehenden Reaktionszeit durch die erhöhten Vorschubgeschwindigkeiten, so dass der Maschinenbediener kaum noch Möglichkeiten zum Eingriff während kritischer Phasen in den Zerspanungsprozess hat. Andererseits ist durch die höheren Geschwindigkeiten und die daraus resultierenden höheren Energien mit schwerwiegenderen Schäden an Werkstück, Werkzeug und besonders an Werkzeugmaschine und Spindel im Fall von Kollisionen zu rechnen. Kollisionsprüfungen sind deshalb unabdingbar und sollten aus Gründen der Benutzerfreundlichkeit in das CAM-System integriert sein. Dabei ist nicht nur eine Kollisionsprüfung des Werkzeuges oder des Werkzeugzusammenbaus wichtig, vielmehr muss die gesamte Maschinengeometrie berücksichtigt werden, also etwa auch auskragende Schwenkköpfe und ähnliches.
Ein weiterer Ansatzpunkt für einen optimalen HSC-Zerspanungsprozess ist die Gleichmäßigkeit der Werkzeugbahnen. Abrupte Bewegungen der Werkzeugmaschine aufgrund unstetiger Bahnverläufe können bei hochdynamischen Werkzeugmaschinen zu Schwingungserregungen führen. Auftretende Schwingungen führen hierbei nicht nur zu unsauberen Fräsergebnissen, sie können im schmalen technologischen Grenzbereich bei hohen Geschwindigkeiten auch zu Beschädigungen am Werkzeug führen, und damit nicht nur Kosten, sondern auch zusätzliche Rüstzeiten an der Maschine verursachen. Neben diesen Gefahren bremsen starke Richtungswechsel die Dynamik der Maschine und verlangsamen den Bearbeitungsprozess.
Unstetige Bahnverläufe können durch nicht HSC-gerechte Bahnerzeugungsalgorithmen verursacht werden. Sie können aber auch durch Rechenungenauigkeiten innerhalb angegebener Toleranzbereiche hervorgerufen werden. Wird ein Toleranzbereich für die Fräsbahnen definiert, so kann es durch Rechenungenauigkeiten selbst bei relativ flach gekrümmten Werkstückkonturen zu Pendelbewegungen der Werkzeugbahn kommen. Durch die Verkleinerung von Toleranzen kann zwar eine Glättung der Bahn gelingen, es ist aber auch mit einer höheren Anzahl von erzeugten Bahnpunkten zu rechnen. Wird die Anzahl der Bahnpunkte zu groß, und der Abstand der Punkte zueinander zu klein, kommt es zu einer steuerungsbedingten Verlangsamung der Maschine, da die Steuerung dann nicht mehr in der Lage ist, die großen Datenmengen zu verarbeiten.
Eine sinnvolle Alternative bei der Generierung stetiger Werkzeugbahnen ist die Verwendung von NURBS-Bahnen. Der Einsatz linearinterpolierter NC-Bahnen des CAM-Systems, die dann von modernen, NURBS-fähigen Steuerungen weiterverwendet werden, stellen hier allerdings keine sinnvolle Lösung dar. Hier muss das Ziel eine durchgängige NURBS-basierte NC-Prozesskette sein.
Neben den stetigen Schnittbewegungen stellen HSC-gerechte An-, Abfahr- und Eilgangbewegungen ebenfalls eine Anforderung an das CAM-System dar. Verrundete Werkzeugwege helfen die dynamischen Belastungen der Maschine zu reduzieren.
Ein weiteres Ziel bei der HSC-gerechten NC-Programmierung ist die möglichst gleichmäßige Belastung des Werkzeugs. Dazu sollte der Spanquerschnitt während der Bearbeitung möglichst konstant gehalten werden. Vorraussetzung hierfür ist, dass das CAM-System die Möglichkeit hat, das noch nicht abgetragenes Restmaterial auf dem Werkstück zu bestimmen. Viele Systeme erlauben es, Restmaterialstärken anzuzeigen. Jedoch sollte das CAM-System die Weiterverarbeitung dieser Restmaterialdaten unterstützen, um Bereiche mit großen Aufmaßen gesondert berücksichtigen zu können. Um konstante Spanquerschnitte zu erreichen, sollte ein HSC-gerechtes System außerdem Bahn- und Ebenenabstände selbstständig innerhalb einer Bearbeitungsoperation variieren können, wie es zur Erzielung konstanter Rauhtiefen bereits Stand der Technik ist.

Vorhandene CAM-Systeme nutzen?
Viele auf dem Markt befindliche CAM-Systeme decken einige HSC-Funktionalitäten ab. Die wenigsten Systeme bieten eine komplette, optimale Lösung. Um trotzdem HSC-gerechte Werkzeugwege zu erzeugen, muss der Anwender selbst kreativ werden. Um glattere NC-Bahnen zu erhalten, kann die Variation der Bahntoleranzen innerhalb der zulässigen Werkstücktoleranzen ein erster Weg sein. Um Bereiche zu erkennen, die von Schrupp- oder Vorschlichtwerkzeugen mit großen Durchmessern nicht erreicht werden können, ist der Einsatz von Analysefunktionen der CAD- oder CAM-Software sinnvoll. Dadurch können Werkstückbereiche wie Hohlkehlen, in denen viel Restmaterial abzutragen ist, erkannt und gesondert berücksichtigt werden. Für solche Vorgehensweisen bieten sich Krümmungs- oder Radienanalysefunktionen an, wie sie in vielen CAD-Programmen zur Verfügung stehen.
Mit Hilfe solcher Analysefunktionen kann dann auch eine Optimierung der Werkzeugfolge durchgeführt werden. Reichen solche Analysefunktionen nicht aus, so sollten externe Simulationsprogramme zur Restmaterialbestimmung herangezogen werden. Bereiche die zusätzlicher Arbeitsschritte bedürfen, sollten dann auch konsequent als eigene Bearbeitungsbereiche im CAM-System behandelt werden. Durch den Einsatz von Restmaterialbestimmung und erneuter Erzeugung von Bearbeitungsbahnen kann eine manuelle Optimierung von Werkzeugfolgen vorgenommen werden. Hilfe für zukünftige Optimierungen bietet ebenfalls eine Aufzeichnung von Erfahrungswerten durchgeführter Bearbeitungen. Die Pflege einer Technologiedatenbank unterstützt hier die Optimierung.

Wo liegt die Zukunft?
Die Entwicklung von CAM-Systemen für den HSC-Bereich bietet ein weites Feld an Verbesserungspotentialen. Die Unterstützung des Benutzers zur Erzeugung HSC-gerechter NC-Daten ist hier nötig. Um CAM-Systeme HSC-gerecht zu gestalten, ist ein breit gestreutes Wissen über die gesamte HSC-Prozesskette notwendig.
Das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU-Darmstadt kann hier auf eine 20-jährige Erfahrung zurückgreifen. In industrienahen Forschungsprojekten wird die gesamte HSC-Prozesskette untersucht und optimiert. Dadurch können Erfahrungen aus den Bereichen der Werkzeugentwicklung, der technologischen Optimierung und der HSC-Werkzeugmaschinen auch für den CAD-CAM-Bereich genutzt werden. So werden zum Beispiel Softwareprototypen entwickelt, die den Anwender nicht nur bei der Auswahl geeigneter HSC-Bearbeitungsparameter unterstützten, sondern beispielsweise auch bei der Auswahl optimaler Bearbeitungsstrategien. Dabei werden im System HSC-Fertigungsfeatures definiert, die neben den Geometrieinformationen HSC-Know-How zur Verfügung stellen.
Eine Weiterentwicklung feature-basierter Systeme hin zu Systemen, die Bearbeitungsbereiche selbständig erkennen und diese mit den entsprechenden Bearbeitungsoperationen verknüpfen, um den Unterstützungs- und Automatisierungsgrad der Software zu erhöhen, ist wünschenswert, um die NC-Programmierung noch sicher, schneller und effektiver zu gestalten.
Zum Thema
Das Potential der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist noch längst nicht voll erfasst. Bei der Bearbeitung von Freiformflächen bietet sie verlockende Vorteile: Verkürzte Durchlaufzeiten, höhere Produktivität, Kostenvorteile. Von entscheidender Bedeutung dafür ist jedoch die Qualität der NC-Daten, mit denen die Steuerung die Maschine betreibt. Großen Einfluss darauf hat der Einsatz HSC-gerechter CAM-Systeme. Dazu unser Beitrag aus der Entwicklungsarbeit des PTW an TU Darmstadt.
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Die Autoren

Professor Dr.-Ing. Eberhard Abele
Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)

Professor Dr.-Ing. Herbert Schulz
Emeritierter Leiter des Instituts für Produktionstechnik und Spanende Werkzeugmaschinen (PTW) und Autor mehrerer Bücher über die HSC-Bearbeitung.

Dipl.-Ing. Carsten Stroh
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) im Bereich Digitale Prozesskette

Dipl.-Ing. Markus Stanik,
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)
Leiter der Forschungsgruppe Digitale Prozesskette

Dipl.-Ing. Caspar von Gyldenfeldt
Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) im Bereich Digitale Prozesskette

Technische Universität Darmstadt
64287 Darmstadt
Tel: 06151/163957
Fax: 163356

Links: http://www.ptw.maschinenbau.tu-darmstadt.de