Hochgeschwindigkeitsbearbeitung - Potentiale schon ausgereizt?

Der enorme Fortschritt in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erlaubte die letzten 15 Jahre oftmals eine erhebliche Steigerung der Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten. Dies führte zu höheren Zeitspanvolumina, zur Verbesserung der Oberflächenqualität, zu niedrigen Zerspankräften, und der Möglichkeit, auch im schwingungsunkritischen Bereich arbeiten zu können. Diese Vorteile der HSC-Bearbeitung werden heute in den verschiedenen Branchen schon weitgehend genutzt.

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist heute seitens der Maschinen- und Komponentenhersteller eine verfügbare Technologie, die am Beispiel Fräsen durch folgende Situation beschrieben werden kann:

l Mehr als 20 europäische Werkzeugmaschinenhersteller bieten spezielle hochgeschwindigkeitstaugliche Fräsmaschinen an.

l Spannfutter, die speziell auf hohe Drehzahlen ausgelegt sind (Wuchtgüte, Berstdrehzahl, Kompensation Fliehkräfte) sind verfügbar.

l Werkzeuge wurden speziell für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Stahl, Gusseisen und NE-Metallen entwickelt.

l CAD/CAM-Systeme, die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung durch Schnittaufteilungsalgorithmen, Bahnplanungselemente oder Featuretechnologie unterstützen werden angeboten, in der Praxis jedoch noch sehr selten eingesetzt.

Betrachtet man dagegen das große Feld der potentiellen HSC-Anwender, so stellt man noch eine große Differenz zwischen den Möglichkeiten und der tatsächlichen Anwendung dieser Technologie fest. Gründe hierfür liegen bei der Nutzung des vorhandenen, noch nicht HSC-tauglichen, Maschinenparks und der Werkzeugausstattung. Hinzu kommt mangelndes Wissen über die HSC-Technologie

Die weitere Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird davon abhängen, ob es gelingt, alle am Zerspanprozess beteiligten Komponenten in gleicher Weise weiterzuentwickeln. HSC überzeugt nur als Gesamtkonzept!

Erodieren und HSC: Konkurrenz oder Ergänzung?

Senkerodieren und Fräsen sind im Werkzeug- und Formenbau heute die am häufigsten eingesetzten Bearbeitungsverfahren. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Vorteile, so dass bei jedem Formteil neu entschieden werden muss, ob die Verfahrenskette Vorfräsen und Fertigerodieren oder die komplette Fräsbearbeitung in HSC-Technologie oder aber eine Kombination beider Verfahren hinsichtlich Kosten, Oberfläche und Durchlaufzeit den günstigsten Weg darstellt.

In den letzten Jahren zeichnete sich ein gewisser Trend zur Komplettbearbeitung durch Fräsen ab. Dieser Trend wird sich prinzipiell fortsetzen. Insbesondere das Hochgeschwindigkeitsfräsen, verbunden mit der Hartbearbeitung wird einen wesentlichen Beitrag hierzu liefern. Durch die Komplettbearbeitung in Stahl werden zwei zusätzliche Arbeitsschritte eingespart: Das Anfertigen der Elektrode und der Erodiervorgang selbst ist nicht mehr erforderlich. Die Maßgenauigkeit der Formteile wird wesentlich gesteigert. Durchlaufzeiten und manuelle Nach- oder Einpassarbeiten werden verringert. Ein weiterer, oft vernachlässigter Vorteil, ist im Bereich Druckguss von besonderer Bedeutung: Die beim Erodieren hervorgerufene Randschicht-Zerstörung (¿weiße Schicht¿) kann zu einer Abnahme der Lebensdauer der Formen im späteren Serieneinsatz führen und erfordert kostenintensive, manuelle Putzarbeit.

Versuche haben hier gezeigt, dass bei gefrästen Geometrien diese Nachteile nicht vorhanden sind und die Lebensdauer der hochbeanspruchten Formteile gesteigert werden kann. Trotz seiner Nachteile wird das Erodieren jedoch auf absehbare Zeit seine Bedeutung nicht verlieren. Neue Regelalgorithmen und eine adaptive Prozessoptimierung lassen die Randschicht-Zerstörung immer geringer werden. Zusätzlich führen die in vielen Branchen (zum Beispiel Automobilbau, Luft- und Raumfahrt) immer stärker werdende Forderung nach Leichtbauweise von Bauteilen und die Möglichkeit zu aufwendigen Simulations- und Berechnungsverfahren zu Werkstücken mit deutlich komplexeren Geometrien. Diese Werkstücke und die benötigten Formen dafür lassen sich nicht durch Fräsen allein herstellen.

Innovationsfeld Spindel- und Werkzeugsysteme

Eine weitere Leistungssteigerung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau ist abhängig von der Weiterentwicklung der Spindeltechnologie. Impulse kommen hier insbesondere von den wachsenden Märkten bei der Aluminium- und Magnesiumzerspanung (hohes Drehmoment über gesamten Drehzahlbereich). Besonders anspruchsvoll ist die Miniaturzerspanung mit Drehzahlen oberhalb der 100 000.

Im Bereich der Werkzeuge ist beim Schneidstoff Hartmetall noch eine weitere Leistungssteigerung zu erwarten: Ultrafeinstkorn, nickelgebundenes Hartmetall, Gradientenhartmetall und neue Beschichtungssysteme.

Innovationsfeld Werkzeugmaschine

Die Nutzung der hohen HSC-typischen hohen Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten erfordert Werkzeugmaschinen mit hoher Achsbeschleunigung. Durch den Einsatz von Linearmotoren wird versucht Beschleunigen von deutlich über 10 m/s2 zu erreichen, so dass bei engen Radien keine Reduzierung der programmierten Vorschübe notwendig ist. Ein Beispiel einer am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen, Darmstadt (PTW) entwickelten Maschine zeigt eines der Bilder.

Ziel der Entwicklung war eine Achs-Beschleunigung von 20 m/s2. Außerdem wurde besonderer Wert auf die Minimierung thermischer Verformungen gelegt. Das Gestell der Maschine ist als massives, eigensteifes Portal ausgeführt. Als Grundwerkstoff wurde Polymerbeton gewählt. Dieser Werkstoff kann seine spezifischen Vorteile besonders vorteilhaft in der Kombination mit Linearmotoren ausspielen. Die etwa dreifach höhere Strukturdämpfung und dreifach geringere Dichte gegenüber Grauguss oder reinen Stahlschweißkonstruktionen verringert die Schwingungsproblematik erheblich.

Darüber hinaus ist das Material thermisch sehr träge und kann durch Zusammenwirken seiner schlechteren Wärmeleitfähigkeit und geringeren Wärmeeindringzahl mit einer ausreichend dimensionierten Kühlung der Motoren leichter thermisch stabilisiert werden als ein Stahl- oder Gussbett. Als zusätzliche passive Stabilisierungsmaßnahme wurde das Gestell thermosymmetrisch aufgebaut.

Innovationsfeld Informationstechnologie

Eine weitere zukünftige Innovation bei CAD/CAM-Systemen wird die Programmierung über sogenannte HSC-gerechte Fertigungsfeature betreffen. Ein solches Feature umfasst dabei ein spezielles Geometrieelement (zum Beispiel eine Tasche oder Gewindebohrung). Diesem Feature werden nun Bearbeitungstechnologie, Verfahrwege (Bahnplanung) und Werkzeuge zugeordnet. Zur Generierung dieser bestgeeigneten Parametersätze sind eine Vielzahl von fertigungstechnologischen Untersuchungen notwendig, die auch im Rahmen von Forschungsprojekten am PTW in Darmstadt durchgeführt werden.

Diese featureorientierte Programmierung wird im Werkzeugbau neue Rationalisierungspotentiale erschließen. Mit der Featuretechnologie kann auf optimierte und bewährte Zerspanungsprozesse pro Geometrieelement zurückgegriffen werden. Das Internet wird den Aufbau anwendungsneutraler Wissensplattformen, die eine umfassende Hilfe für Werkzeugauswahl und Technologieauswahl bieten können, erleichtern.

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