Späne auf dem Weg zur Arbeit

20 Jahre Forschung und Entwicklung hinterlassen deutliche Spuren in der Metallbearbeitung. Viele Werkzeugmaschinen schmücken sich inzwischen mit dem Prädikat HSC. Das Kürzel steht für High Speed Cutting, also die Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung ¿ eine Königsdisziplin! Wen wundert es da, dass nur ein Teil der angebotenen Maschinen das ¿HSC¿ zu Recht trägt, während andere nur auf dem Trittbrett der Leistungs-Giganten mitfahren. Wie steht es also wirklich um die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung? Was leisten Maschinen, Werkzeuge, Steuerungen? Welche Technologien bewähren sich in der Praxis und woran arbeiten zur Zeit die Entwickler? Wann und wo kann man die Rennmaschinen der Metallbearbeitung arbeiten sehen, seine Fragen loswerden ¿ und ins Staunen und Schwärmen geraten?

Wer Metall bearbeitet, Werkzeugmaschinen in seiner Produktion beschäftigt, der weiß, was High Speed Cutting, das magische Kürzel HSC bedeutet. Nämlich: ¿Wir machen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung! Wir zählen zu den Technologieführern!¿ Kann man es da einem auf Lohnbasis arbeitenden Unternehmen verübeln, wenn es seine Prospekte mit so schönen Aussagen spickt? Natürlich nicht! Zumal ja dieses Unternehmen von Werkzeugmaschinen-Herstellern die neuen Prunkstücke auch als HSC-Maschinen gekauft hat. Sind also die Maschinenhersteller die Bösewichte, die sich da unzulässiger Weise mit Prädikaten schmücken? Nein, die trifft auch keine Schuld! Und Bösewichter gibt es in diesem Fall überhaupt nicht, denn es gibt keine wirklich eindeutige Definition der HSC-Technik!

Das Fehlen einer ¿greifbaren¿ Definition birgt gewaltige Gefahren! Wobei das Schmücken mit einem Kürzel, das jemandem oder seinen Maschinen vielleicht gar nicht zusteht, zu den harmlosen Begleiterscheinungen zählt. Viel gravierender kann der wirtschaftliche Schaden für unsere Werkzeugmaschinen-Industrie ausfallen. Denn der deutsche Werkzeugmaschinenbau ist auf dem Gebiet der HSC-Technik weltweit anerkannter Technologieführer! Wie lange noch? So fragt man sich zu Recht, wenn aus aller Welt HSC-Maschinen auf den Markt kommen, die nichts Besonderes, außer vielleicht etwas erhöhten Drehzahlen bieten. Unser Land hat nicht viele Branchen, die sich so was Tolles wie eine Technologieführerschaft ans Revers heften können ¿ und nun ist diese Chance wegen einer fehlenden ¿Definition¿ in Gefahr. Kaum zu glauben . . .

HSC ¿ Wann darf man davon sprechen?

Trotz fehlender Definition gibt es einige Kriterien, die das Hochgeschwindigkeitsbearbeiten charakterisieren. Dazu gehören drei wichtige Eckpfeiler: 1. Die gesamte Prozesswärme muss über die Späne abgeführt werden. 2. Die Oberflächenqualität muss sich beim Bearbeiten gewaltig verbessern, Ra-Werte von 0,2 Mikrometern sind das Ziel. 3. Die Zerspanungskräfte müssen deutlich sinken. Weiterhin gibt es nur recht allgemeine Aussagen über die praktizierten Schnittgeschwindigkeiten, da diese immer von den bearbeiteten Materialien abhängen. Grundsätzlich gilt aber, dass die Schnittgeschwindigkeiten um das fünf bis zehnfache höher liegen müssen, als sie mit konventionellen Verfahren realisierbar sind. Solche Schnittgeschwindigkeiten sind natürlich nur Anhaltswerte, doch sie zeigen die Richtung ¿ allerdings noch nicht deutlich genug, um Missbrauch auszuschließen.

Und noch ein anderes, sicheres Indiz habe ich in der Literatur gefunden: Lassen Sie die gleichen Werkstücke auf konventionellen Maschinen und parallel dazu auf der neuen HSC-Maschine bearbeiten. Wenn Sie dann die Kostenrechnung für den gesamten Prozess aufstellen, dann sollten Sie auf der neuen Maschine mindestens 60 Prozent günstiger liegen! Das ist kein Fantasie-Wert, sondern ein Praxisergebnis, bei dem bis zu 80 Prozent der Produktionskosten eingespart wurden.

Und spätestens an diesem Punkt sollten die Kaufleute aufhorchen und nicht immer noch so mitleidig lächeln, wenn der Produktionsleiter ihnen wegen neuer Maschinen in den Ohren liegt. Es ist nicht nur Technologie-Begeisterung, die für Maschinen mit Drehzahlen und Beschleunigungswerten, die ein Formel 1-Bolide niemals erreichen wird, spricht. Es geht ums Geld, um viel Geld, um die Nasenlänge, die man dem Wettbewerb gern voraus ist ¿ ganz besonders im Werkzeug- und Formenbau und überall dort, wo aus dem Vollen gearbeitet wird.

Späne sind mehr als nur Abfall

Aus dem Vollen zu arbeiten, das bedeutet immer auch einen Kampf gegen Berge von Spänen. Späneförderer und Absauganlagen haben alle Hände voll zu tun. Vom Wegspülen und Ausschwemmen der Späne will ich hier lieber nicht sprechen, denn diese Variante funktioniert zwar gut, ist jedoch in der HSC-Bearbeitung nicht erwünscht. Beim Hochgeschwindigkeitsbearbeiten ist man ganz eindeutig auf den Weg zur Trockenbearbeitung.

Muss aber nicht Trockenbearbeitung automatisch zu Temperaturproblemen führen? Eigentlich schon, doch an diesem Punkt setzt eine ganz eigene Dynamik der Verhältnisse ein. Wenn nämlich schnell genug geschnitten wird, dann nehmen die Späne fast die gesamte Verformungswärme auf. Falls es dazu gelingt, die Späne schnell wieder von der Schneide weg zu bekommen, so transportieren die Späne das Gros der Wärme, die anfällt auch ab. Im Extremfall sieht der Maschinen-Arbeitsraum so aus, als husche dort eine Flex hin und her. Die Werkstücke bleiben also relativ kühl, was der Präzisionsbearbeitung sehr entgegen kommt. Trotzdem ist ein Punkt schwer verständlich: Die Werkzeuge, die leisten doch die Schneidarbeit und kommen außerdem ¿ wenn auch nur kurzzeitig ¿ mit den jetzt extrem heißen Spänen zusammen. Wie sollen die denn da kühl bleiben können?

¿Trockenbearbeitung¿ mit etwas Schmiere

Der Wärmetransport über die Späne ist eine Problematik, die beim Fräsen noch relativ einfach zu beherrschen ist. Es gelingt meist, die Späne schnell von Werkzeug und Werkstück zu entfernen. Spätestens beim Bohren aber, da schlägt das Schicksal der Trockenbearbeitung mit aller Macht zu: Geht es tiefer als 2 ´ D, so bleiben die heißen Späne zu lange beim Werkzeug, der Wärmeabtransport gerät ins Stocken. Und das mögen die Bohrerschneiden nun gar nicht.

Natürlich kann man einiges tun, um diese Problematik etwas zu entschärfen. Aus der Welt schaffen lässt sie sich aber nicht allein durch Maßnahmen am Werkzeug. Etwas günstiger wird die Bohrer-Standzeit ausfallen, wenn Sie mit extrem scharfen Schneiden arbeiten. Klar, dass die Arbeitstemperatur einer Schneide mit großem Schnittwinkel, großem Freiwinkel und somit kleinem Keilwinkel niedriger liegt, als bei entgegengesetzten Verhältnissen. Doch müssen nicht kleine Keilwinkel und Temperaturprobleme automatisch zu noch mehr Verschleiß führen?

Im Prinzip ja ¿ aber die Praxis belegt, dass Sie unter dem Strich mit großer Schärfe besser abschneiden, als mit großem Keilwinkel. Was unterstützend wirkt und schnell einleuchtet, sind möglichst große Spannuten. Und dann kommen natürlich noch die Beschichtungen ins Spiel: Multilayerschichten, also Mehrlagenschichten können erstaunliches leisten. Einlagige Schichten zielen meist in Richtung Härte, um den Verschleiß zu mindern. Das ist auch gut so. Nun kann man aber auch mit einigen Schichten speziell gegen Wärme panzern und mit anderen das Gleiten fördern. Kommen nun alle diese Schichten mit ihren verschieden Eigenschaften übereinander gelegt zum Einsatz, so ergibt das Wärmepanzer, Härte und gutes Späne-Gleiten.

Aber trotz all¿ dieser Möglichkeiten, werden Sie auf zwei Drittel der sonst üblichen Bohrer-Standzeiten verzichten müssen. Wenn Sie also unbedingt trocken arbeiten möchten, dann versuchen Sie es doch mit ¿fast trocken¿. Die Minimalmengenschmierung wird Sie mit verdoppelten Standzeiten belohnen. Einige Untersuchungen haben allerdings ergeben, dass Sie dabei im ¿Selbstversuch¿ einmal auf Druckluftunterstützung verzichten sollten. Wahrscheinlich fahren Sie dann bessere Werte ein.

Werkzeuge für besonders heiße Jobs

Sie sind nicht zu beneiden, die Werkzeuge, die das alles ausbaden müssen, was Maschinenhersteller sich in Sachen Geschwindigkeit ausdenken und was Produktionsleiter mit Blick auf Durchlaufzeiten fordern. Hinzu kommen die Wünsche der Konstrukteure, die so ziemlich alle Werkstoffe und auch gehärtete Stähle bearbeitet haben wollen. Besonders im Werkzeug- und Formenbau tauchen bei den Kalt- und Warmarbeitsstählen die Kürzel Cr, Mo, Mn und V sehr häufig auf ¿ alles garstiges Zeug, aus Sicht der Zerspanung. Kommen beim eigentlich ja unproblematischen Aluminium höhere Siliziumgehalte vor, wohlmöglich gar über 12 Prozent, so hört auch da der Spaß auf. Kann man nicht die Werkzeuge gut verstehen, die sich richtig auf das Zerhäckseln von Feld-, Wald- und Wiesenstählen, Kunststoff oder auch Guss freuen? Obwohl, beim Guss: Der neue Vermikularguss GGV, der gerade in die Praxis einzieht, der macht dem schönen Werkzeugleben allerdings auch schnell ein Ende.

Die Werkzeughersteller lassen sich aber nicht lumpen. Ihre Entwickler nehmen jede Herausforderung an und glänzen schnell mit geeigneten Gegenmitteln. Das Hartmetall wird ständig noch feinkörniger, die Hartstoffschichten reichen bis zum Diamant, Schneidkeramik gibt¿s für alle Fälle, PKD und CBN helfen bei weich und hart. Doch eines können sie nicht, die Werkzeughersteller: Die Naturgesetze der Physik umgehen.

40 000 Umdrehungen pro Minute sind Standard für die Hauptspindeln der HSC-Maschinen. Einige Hersteller bieten schon 60 000, wenige gar 80 000 und die Rekordjäger entwickeln an 100 000 Umdrehungen. Wahnsinn! Vor allem dann, wenn man schon mal eine Requisitenkammer mit Werkzeug-Fliehkraft-Opfern gesehen hat: Zerrissene Fräsköpfe, geplatzte Werkzeugaufnahmen, rausgebrochene Werkzeug-Kassetten, zerfetzte Halteschrauben von Wendeplatten und passend zu den Flugversuchen dann auch Panzerglas mit Einschüssen und Maschinenverkleidungen mit deftigen Beulen. So darf die Betriebspraxis natürlich nicht aussehen. An diesen Belastungsgrenzen will und darf niemand arbeiten. Eine Norm sorgt denn auch für Sicherheit, indem sie nicht einmal die Hälfte der Berstdrehzahl als Arbeitsdrehzahl für die Werkzeuge zulässt. Wie brisant das Thema aber ist, belegen Überlegungen, die an Sollbruchstellen denken: Wenn nämlich am Fräser die Spannschrauben der Wendeschneidplatten als Sollbruchstelle dienen, dann ist die abfliegende Schneidplatte nicht so gefährlich, wie der zerborstene Werkzeug-Grundkörper.

Präzision im Sauseschritt

Leider kann man nicht die normale Maschine nehmen, macht alles etwas schneller, und bekommt zum Dank die Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung. Maschine, Werkstoff, Werkzeug, Steuerung und Prozess beeinflussen sich gegenseitig. Das größte Problem sind die bewegten Massen von Maschine, Werkstück und Werkzeug, die dadurch bedingten Verformungen und Schwingungen. Immerhin werden auf Prototypen schon Achsgeschwindigkeiten von 120 Metern pro Minute gefahren, was durchaus (trotz Gewichtsreduzierung) Beschleunigungen von 20 Metern pro s2 bedeuten kann. Wenn dazu noch Schwingungen aus der Hauptspindel bei 60 000 Umdrehungen pro Minute kommen und auch nur die geringste Unwucht von Werkzeug und Spannsystem, so kann man sich ein Bild von der Problematik machen.

Kein Wunder, das alle Welt mit Linearantrieben experimentiert, um diese Tisch-Dynamik überhaupt auf die Beine stellen zu können. Ist das gelungen, soll natürlich auch die Z-Achse von Fräsmaschinen nicht zum Handicap wer-den. Viele Linearmotoren bedeuten aber auch, dass Temperaturprobleme zu lösen sind. Hierzu sind an Prototypen schon tolle Lösungen zu sehen, denn viele Isoliermaterialien dienen gleichzeitig dem Leichtbau. Außer der Kohlefaser werden in den nächsten Jahren noch die tollsten Werkstoffe im Maschinenbau auftauchen, die wir heute noch höchstens mit der Raumfahrt in Verbindung bringen.

Ein anderer Weg besteht darin, das Werkstück und den Maschinentisch gar nicht zu bewegen. Wenn man nur die Maschinenspindel und das Werkzeug möglichst beweglich macht, beides um das aufgespannte Werkstück herumführt, so lassen sich die beschleunigten Massen gewaltig reduzieren. Die bewegte Masse würde sich auch nur um geringe Abweichungen verändern ¿ je nach eingesetztem Werkzeuggewicht. Dagegen bietet das jeweilige Werkstück, das bei konventionellen Systemen ja auch im Bewegung ist, alles an Unwägbarkeiten, was denkbar ist. Zudem ist die Fünf-Seiten-Bearbeitung ein Zusatzgeschenk, das gern angenommen wird.

Das noch recht neue System der ¿Hexapoden¿ besteht meist aus sechs Stäben, die an einem Ende fest sind, aber beweglich gelagert werden und mit dem anderen Ende den Bearbeitungskopf (Spindel plus Werkzeug) tragen. Verändert man nun die Länge der einzelnen Stäbe unabhängig voneinander, so ergeben sich ungeahnte Bewegungsmöglichkeiten. Ein tolles System, das man erst mal in Aktion gesehen haben muss, um die Möglichkeiten überhaupt ahnen zu können. Ein System aber auch, das den Steuerungstechnikern einige graue Haare hat wachsen lassen: Sechs Stäbe, die sich irgendwo im Raum mit rasender Geschwindigkeit bewegen, exakt und in Echtzeit in ihrer Länge zu verändern, das ist ein gewaltiges Problem.

Einen etwas anderen Denkansatz haben zur Zeit die Schweizer auf dem Prüfstand. Der Blick per Internet nach Zürich lohnt sich: http://www.iwf.bepr.ethz.ch/ projekte/hexaglide/ lautet die direkte Adresse. Die Eidgenössische Technische Hochschule Zürich ETH untersucht das Hexapodenkonzept auf ¿Steward-Plattform¿. Hier werden nicht die Stäbe verlängert oder verkürzt, sondern es bewegen sich sechs Schlitten, an denen die Stäbe befestigt sind, auf drei parallelen Führungsbahnen. An diesem Prototyp ermitteln und testen die Schweizer jetzt den Kräfteverlauf, die Steifigkeit, die Präzision und optimieren die Steuerung auf preiswerter Hardware.

HSC-Technologie zum Anfassen

Fahren Sie irgendwann in der Zeit vom 12. bis 16. September nach Stuttgart. Es lohnt sich! Einmal läuft dort auf dem Killesberg die AMB 2000, die internationale Ausstellung für Metallbearbeitung, deren Besuch sich für alle zentriert, die irgendwie mit dem Bearbeiten von Metallen oder NE-Metallen zu tun haben. Glanzpunkt dieser Ausstellung ist aber die HSC-Sonderschau mit den neuesten Trends der Trocken- und Hartbearbeitung. Mehr als 30 Aussteller zeigen dort, was Maschinen, Werkzeuge, Motorspindeln, Antriebe, Steuerungen und CAM-Systeme zu bieten haben.

Diese Sonderschau, schon seit 1994 vom PTW, dem Institut für Produktionstechnik und spanende Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt, initiiert und organisiert, gewinnt stetig an Bedeutung. Zumal es jetzt nicht nur darum geht, dass man den Stand von Forschung und Entwicklung vorzeigt, sondern auch darum, diese Technologie in die Betriebspraxis zu integrieren. Wir stehen zwar noch am Anfang dieser Technologie, doch in vielen Betrieben gehört sie schon zum Standard ¿ wenn auch meist nur vom Namen her und unter dem Strich eher im ¿Übergangsbereich¿ zwischen konventionellem Zerspanen und der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Das PTW stellt dort jedenfalls eine HSC-Maschine vor, die zweifelsfrei im Hochgeschwindigkeitsbereich arbeitet. Dieses Prachtstück sollten sie gesehen haben!

Und auch im Internet hat das PTW so einiges zu bieten, wofür Sie sich mal eine halbe Stunde Zeit nehmen sollten. Mit der Adresse http://www.ptw.maschinenbau.tu-darmstadt.de kommen Sie direkt zu den gewünschten Informationen. Der Klick auf ¿HSC Competence Center¿ bringt Sie mitten ins HSC-Geschehen. Dort finden Sie von der Einführung bis zu den aktuell laufenden Projekten alles Wissenswerte zum Thema ¿ und auch die Info, dass jemand schon 1931 ein Patent zur Bearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten anmeldete.

HSC-Praxis im Helikopterbau

Die Ingenieure von Bell Helicopter Textron, aus Quebec in Kanada, einem der weltweit führenden Hubschrauber- Hersteller, setzten sich zum Ziel, ein neues Spitzenprodukt zu unschlagbarem Preis anzubieten. Mit der Erfahrung von 34 000 ausgelieferten Hubschraubern nahmen sie das Vorgängermodell, den Bell 407, unter den Gesichtspunkten Qualitätsverbesserung und Kostenersparnis gründlich unter die Lupe. Das Nachfolgermodell, der Bell 427, hat jetzt zwei 600 PS-Motoren statt bisher einem, mehr Platz in der Kabine, eine Außenhaut aus Graphitepoxyd-Panelen, ein überarbeitetes Steuerruder sowie elastomere Verbindungen. Er wurde zum Renner unter den leichten Hubschraubern.

An Preisgestaltung und Qualitätsverbesserung hat die HSC-Technologie wesentlichen Anteil, denn der ¿Kielbaum¿, eines der wichtigsten tragenden Teile in der Hubschrauber-Nase, wird jetzt aus dem Vollen gefräst. Bisher bestand der Kielbaum aus 50 zugeschnittenen Einzelblechen, die dann durch 200 Niete zu einem Ganzen verbunden wurden. Ein gewaltiger Zeitaufwand, da der Kielbaum ein Werkstück mit sehr hohen Präzisionsanforderungen ist. Sonderwünsche, die zu Änderungen der Konstruktion führten, waren mit enormen Kosten verbunden.

2000 Dollar pro Hubschrauber eingespart! So errechneten es jetzt die Kaufleute ¿ und das nur auf Grund der Hochgeschwindigkeits-Bearbeitung. Mit konventioneller Fräsarbeit wären die Kosten aus dem Ruder gelaufen und auch die erforderlichen dünnen Versteifungs-Stege des Bauteiles hätten Probleme bereitet. Die Wanddicke beträgt oft nur 0,65 Millimeter bei bis zu 60 Millimetern Höhe. Aber den Einstieg in die HSC-Technik wollte man nicht auf eigene Faust riskieren. Deshalb wendeten sich die Bell-Spezialisten an Bearbeitungs-Profis. Die fanden sie bei Remmele Engineering in New Brighton, Minnesota.

Jetzt arbeiten bei Bell sieben Hochgeschwindigkeits-Maschinen von Mazak und Forest-Line in klimatisierten Räumen (±1 Grad Celsius). Zum Bearbeiten des Aluminiumwerkstoffs kommen aus Sicherheitsgründen keine Wendeplattenwerkzeuge zum Einsatz. Bei Drehzahlen zwischen 25 000 und 40 000 Umdrehungen pro Minute könnten Schneidplatten zu Geschossen werden. Man stieg auf Vollhartmetallfräser um, die in den Durchmesserbereichen von 10 bis 50 Millimetern liegen. Damit die vielen Späne nicht zum Problem werden, arbeiten die Späneförderer direkt einer Presse zu.

Solche Beispiele finden sich natürlich auch in Europa und ¿ nicht nur in der Luft- und Raumfahrt. Noch im Laufe dieses Jahres werden wir die HSC-Technologie als Thema intensiv angehen und dann, wie bei uns meist üblich, vom Geschehen vor Ort berichten.

Dieter Capelle / April 2000

Links: http://www.messe-stuttgart.de