Trochoidale Frässtrategien
Mit hohem Vorschub in die Tiefe
Fertigungsunternehmen in Hochlohnländern sind immer auf der Suche nach Möglichkeiten, Teile schneller und kostengünstiger herzustellen. Ein interessanter Weg, der mit CAM-Unterstützung auch auf vorhandenen Maschinen funktioniert, ist das trochoidale Fräsen. Die Strategie erlaubt die Bearbeitung beliebiger Werkstoffe mit geringerer Spanbreite, größerer Schnitttiefe und höherem Vorschub. Das spart nicht nur Bearbeitungszeit, sondern schont auch Werkzeuge und Spindeln.
Wenn ein Fräser nach einer geraden Bahn eine gekrümmte Kontur abfährt, muss er normalerweise das Gleiche tun wie ein Auto in der Kurve: die Geschwindigkeit drosseln. Der Grund ist der, dass sich der Eingriffswinkel zwischen Material und Werkzeug in konkaven Rundungen erhöht und damit auch der Druck auf Werkzeug und Spindel. Beim trochoidalen Fräsen, auch Taumelfräsen genannt, macht der Fräser hingegen zusätzlich zu seiner normalen Vorschubbewegung eine Zirkularbewegung. Die Zustellung erfolgt in Schleifen entlang der gewählten Kontur, die als Mittelpunktsbahn dient. Dadurch wird der Eingriffswinkel konstant gehalten, so dass der Fräser immer mit konstanter Kraft durch das Material fahren kann.
Beim Fräsen einer Nut mit trochoidaler Strategie würde man also einen Fräser mit kleinerem Durchmesser als die Nutbreite wählen und gleichzeitig die Zustelltiefe und die Schnittgeschwindigkeit erhöhen. „Das kann man sogar noch von Hand programmieren und als wiederverwendbaren Zyklus abspeichern“, erklärt Torge Franke, Leiter Produktmanagement bei Sartorius Werkzeuge, und führt fort: „Wenn man aber beliebige Konturen auf diese Weise bearbeiten möchte, braucht man neben Spezialfräsern entweder eine Maschine, die das dynamische Trochoidal-Fräsen unterstützt, oder aber ein leis-tungsfähiges CAD/CAM-System, um die Bearbeitung offline programmieren zu können.“ Dazu gehöre beispielsweise die Software TopSolid‘Cam von Missler mit dem Modul VoluMill. In Abhängigkeit von der Endkontur variiert sie den Abstand der Werkzeugbahnen, die sich stellenweise überlagern können, und gewährleistet dadurch einen gleichbleibenden Eingriffswinkel und eine konstante Kraft an der Schnittkante.
Während das HSC-Fräsen hohe Schnittgeschwindigkeit mit großer Spanbreite und ganz geringer Zustelltiefe kombiniert, geht das Trochoidal-Fräsen mit geringerer seitlicher Zustellung (0,1 bis 0,5 x D) und hohem Vorschub im wahrsten Sinne des Wortes in die Tiefe. Das Verfahren ermöglicht Schnitttiefen von bis zum Vierfachen des Werkzeugdurchmessers (4 x D); normal sind 1 bis 1,5 x D. „Durch die Kombination von geringer Spanbreite, großer Zustelltiefe und hohem Vorschub beschleunigt das trochoidale Fräsen die Bearbeitung um bis zu 60 Prozent, und das unabhängig von dem zu bearbeitenden Material“, weiß Franke.
Mit dem richtigen Werkzeug beziehungsweise der entsprechenden Schneidengeometrie können grundsätzlich alle Materialien vom einfachen Stahl über Edelstähle und Aluminium bis zu Titan- und Nickellegierungen oder gehärteten Stählen trochoidal gefräst werden. Es wird dabei ein deutlich größeres Spanvolumen als mit klassischen Strategien erreicht. Dadurch eignet es sich besonders für die Schruppbearbeitung, wie Torge Franke erläutert: „Unsere Trochoidal-Fräser können aber auch für die finale Bearbeitung von Oberflächen mittlerer Güte genutzt werden, was ein durchgängiges Schruppen und Schlichten ohne Werkzeugwechsel ermöglicht. Auch das spart wiederum Zeit.“
Der relativ kleine Eingriffswinkel und die konstante Schnittkraft reduzieren die Belastung für Werkzeug und Spindel. Dies umso mehr, als die Bearbeitungskräfte durch die Taumel-Bewegung senkrecht in die Spindel gehen und nicht zu einer seitlichen Auslenkung führen wie beim normalen Fräsen. Das Verfahren soll dadurch eine hohe Laufruhe und mehr Prozesssicherheit garantieren.
Programmieren am CAD/CAM-System
Das Trochoidal-Fräsen bietet also eine Fülle von Vorteilen, wird jetzt jedoch erst so richtig entdeckt. Obwohl die theoretischen Grundlagen des Verfahrens schon vor mehr als 15 Jahren gelegt wurden. „Damals verfügten die Maschinen aber noch nicht über die notwendige Rechenpower, um die Bahnkorrekturen ausreichend schnell berechnen zu können, und sie stießen auch bei der Bahnsteuerung an ihre Grenzen“, erläutert Franke. Das ist heute dank moderner Mehrachs-Maschinen mit verfahrbaren Tischen und Spindeln, die gegenläufige Bewegungen erlauben, kein Thema mehr. Viele Maschinen unterstützen das Trochoidal-Fräsen auch schon steuerungsseitig. Für Unternehmen, die das Trochoidal-Fräsen auf breiter Front nutzen möchten, empfiehlt Torge Franke jedoch die Anschaffung eines CAD/CAM-Systems, mit dem sich die Bearbeitung offline programmieren und damit Stillstandszeit reduzieren lässt.
Wie andere CAD/CAM-Hersteller unterstützt auch Missler die Programmierung des Trochoidal-Fräsens. Zusätzlich zu den im Standard enthaltenen Funktionen gibt es die VoluMill-Technologie von Celeritive Technologies. Das Zusatzmodul ist vollständig in die Benutzeroberfläche der TopSolid-Software eingebunden und deshalb genauso einfach zu bedienen wie die gesamte Software. Ein geübter NC-Programmierer kann damit ohne zusätzliche Schulung sofort loslegen, wie Alexander Suhm, Produktmanager bei Missler-Vertriebspartner AdeQuate Solutions, versichert. „Wenn der Anwender zum Beispiel eine Tasche trochoidal ausräumen möchte, aktiviert er einfach die VoluMill-Funktion und es öffnet sich ein separates Fenster mit vordefinierten Einstellungen wie Schleifenradius, Schrittweite etc., die er entweder übernehmen oder in Abhängigkeit vom zu bearbeitenden Material verändern kann“, führt Suhm weiter aus. Außerdem wählt er einen speziellen Fräser für die Bearbeitung aus, der mit seinen Schnittwerten in der Datenbank hinterlegt werden kann. TopSolid bietet die Möglichkeit, die VoluMill-Bearbeitung zu simulieren, um mögliche Kollisionen schon am Rechner auszuschließen.
Der Einsatz von TopSolid‘Cam VoluMill hat den Vorteil, dass Unternehmen das Trochoidal-Fräsen ohne Anschaffung neuer Maschinen nutzen können. Theoretisch können sie dafür sogar vorhandene HPC-Fräser (High Performance Cutting) weiterverwenden. Um allerdings das Nutzenpotenzial der Strategie voll ausschöpfen zu können, empfiehlt der Produktmanager den Einsatz optimierter Trochoidal-Fräser, wie sie Sartorius mit der Atorn- und der Sara-Produktfamilie sowohl für Stahl, nichtros-tende Materialien und Aluminium als auch für Titanium und gehärtete Stähle anbietet.
Spezial-Fräser mit stärkerem Kern
Trochoidal-Fräser unterscheiden sich von herkömmlichen Fräsern nicht so sehr hinsichtlich der Schneidengeometrie, die im Wesentlichen durch das zu bearbeitende Material diktiert wird. Der Drallwinkel der vier oder fünf Schneidzähne, d.h. die Steigung der Spiralen ist bei allen Fräsern etwas unterschiedlich, was mit dem bloßen Auge nicht unbedingt zu erkennen ist, wohl aber mit dem Gehör: Die unterschiedlichen Drallwinkel verhindern das Rattern der Werkzeuge und sorgen für mehr Laufruhe.
Was die Trochoidal-Fräser von anderen Fräsern unterscheidet, ist, dass sie einen robusteren Werkzeugkern haben und dadurch stabiler sind. Franke erklärt, warum das so ist: „Da die Spanbreite beim Trochoidal-Fräsen geringer ist, können auch die Nuten zwischen den Schneidzähnen, die den Span aufnehmen müssen, kleiner ausgelegt werden. Dadurch wird der Kern dicker.“ Außerdem haben die Trochoidal-Fäser einen längeren Schneidenauslauf, um Schnitttiefen von 3 x D oder 4 x D zu erreichen; normalerweise ist bei 2 x D Schluss. Aufgrund der größeren Schnitttiefe bei geringerer Spanbreite sind die Späne beim Trochoidal-Fräsen nicht nur dünner, sondern auch länger als beim klassischen Fräsen. Deshalb sind die Trochoidal-Fräser von Sartorius im Mittelteil der Schneide mit einem oder mehreren Spanbrechern ausgestattet. Sie zerteilen den Span, so dass er besser abtransportiert werden kann.
Die Schneidkanten der Trochoidal-Fräser sind nicht nur für große Schnitttiefen, sondern auch für hohe Schnittgeschwindigkeiten ausgelegt. Limitierender Faktor für den Vorschub ist hier die Zahl der Schneidzähne. Die Werkzeug-Lieferanten von Sartorius haben bei der Entwicklung der Fräser auch die Zahl der Zähne variiert, hatten aber bei acht oder mehr Zähnen Probleme bei engen Bahnradien, weil der Span sich staute und zu Werkzeugbruch führte. „Vier bis fünf Zähne hat sich als das Optimum erwiesen“, versichert Franke.
Ein kleiner Wermutstropfen des Trochoidal-Fräsens ist, dass die Werkzeuge teurer sind als zum Beispiel die HPC-Fräser. Hinzu kommt die Investition in das CAD/CAM-System TopSolid oder, sofern schon ein TopSolid-Arbeitsplatz vorhanden ist, die Anschaffung des Zusatzmoduls VoluMill. Die Investition macht sich jedoch nach Einschätzung von Torge Franke und Alexander Suhm schnell bezahlt, weil sich sowohl die Programmier- als auch die Bearbeitungszeit verkürzt. Das bedeutet nicht nur Kosteneinsparungen, sondern auch kürzere Lieferzeiten, was angesichts des wachsenden Zeitdrucks in der Fertigung unter Umständen sogar der wichtigere Wettbewerbsvorteil sein kann. Torge Franke/cs
EMO, Halle 3 Stand B49
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