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Die beste Werkzeugmaschine arbeitet nur so genau und effizient wie das Werkzeug, mit dem sie bestückt ist. Je besser Maschine, Werkzeug und CNC-Programm aufeinander abgestimmt sind, desto bessere Arbeitsergebnisse lassen sich erzielen. Das zeigt sich letztendlich in deutlich reduzierten Fertigungszeiten.

Ob mit zwei, drei oder fünf Achsen, mit Hochgeschwindigkeit oder konventionell – Fräsen ist eine anspruchsvolle Bearbeitung, bei der die optimale Abstimmung von Werkzeugmaschine, Werkzeug und CN-Programm von entscheidender Bedeutung für den Erfolg ist. Diese Aufgabe fällt meist dem Fertigungsverantwortlichen in Betrieben verschiedener Branchen zu, von dem höchste Fertigungsqualität bei möglichst geringen Kosten und maximaler Produktivität gefordert wird.

Die Auswahl der richtigen Werkzeuge, Frässtrategie und Maschinentechnik ist kritisch, um optimale Resultate hinsichtlich Qualität und Geschwindigkeit zu liefern. Viele Wege führen zum Ziel – aber welcher liefert den größtmöglichen Profit?

Nehmen wir das Beispiel Planfräsen. Insbesondere für die flexible Bearbeitung schwer zu zerspanender Werkstoffe bei geringen Nebenzeiten bedarf es neben der richtigen Maschine und dem entsprechenden Bearbeitungsprogramm der optimalen Werkzeugauswahl für die jeweilig zu bearbeitende Werkstückgeometrie. Will man beispielsweise komplexe Formen oder Guss bearbeiten, bietet sich ein 90°-Planfräser an, in anderen Fällen sollte für maximale Produktivität und ein problemloses Fräsen möglichst immer ein Fräser mit Einstellwinkel verwendet werden.

Die Spandicke wird vom Einstellwinkel beeinflusst. Je kleiner der Einstellwinkel ist, desto kleiner ist die Mittenspanungsdicke: Die Schneidenbelastung sowie die Passivkraft werden reduziert. Bei einem Einstellwinkel von 45° ist die Mittenspanungsdicke geringer als der Vorschub pro Zahn (0,707 × fz). Als Ergebnis erhält man höhere Vorschubwerte, mehr Laufruhe, weniger Ausbrüche an Werkstückkanten und die geringeren Radialkräfte auf die Spindellager schonen die Werkzeugmaschine.

Für anspruchsvolle Planfräsarbeiten bei Stahl, Edelstahl, Gusseisen oder Sphäroguss bietet Kennametal die Dodeka-Fräserfamilie und deren Wendeschneidplatten an, die hohe Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubwerte sowie eine lange Standzeit bieten. Dies garantiert eine verbesserte Zerspanungsleistung und Produktivität. Mit zwölf Schneidkanten pro Wendeschneidplatte gewährleisten sie hohe Wirtschaftlichkeit.

Die Geometrie des Fräsers erzeugt geringe Schnittkräfte und somit einen weichen und ruhigen Schnitt, der hohe Zerspanungsraten erzielt. Die HD-Schruppschneidplatten der Dodeka-Familie liefern die größten Zerspanungsraten bei den 45°-Messerköpfen sowie bei der Hochvorschubvariante HF.

Die Wiper-Wendeschneidplatten verfügen über sechs Schneidkanten (drei linke und drei rechte Schlichtschneiden pro Wendeplatte). Daher wird nur eine Wiper-Wendeschneidplatte bei der normalen Bestückung benötigt, um bei der Schruppbearbeitung gleichzeitig eine verbesserte Oberflächengüte zu erzielen.

Selbst bei Maschinen mit geringer Spindelleistung ermöglichen die Fräser durch den weichen Schnitt eine Produktivitätssteigerung. Die richtige Werkzeugauswahl ist bei Maschinen geringerer Leistung daher von entscheidender Bedeutung.

Aber auch die optimale Auswahl und Programmierung der Frässtrategie ist ausschlaggebend für das beste zu erzielende Bearbeitungsergebnis. Für die Programmierung der Frässtrategie ist zunächst der Einlauf ins Material festzulegen. Meist wird ein direkter Einlauf gewählt, der jedoch zu einem geräuschvollen Ein- und Auslaufen des Werkzeugs führt, verursacht durch das direkte, harte Einlaufen, was gleichzeitig zu unerwünschten Vibrationen, dicken Spänen und Zugspannungen führt.

Vorteilhafter ist der weiche Einlauf ins Material (Bild 1), wobei der Fräser im Uhrzeigersinn in das Material eingerollt wird. Bei dieser Anfahrstrategie baut sich der Schnittdruck langsamer auf, die Standzeit wird erhöht und die Spindel wird aufgrund eines optimaleren Kräfteverlaufs geschont.

Ähnlich verhält es sich mit der gesamten Frässtrategie: der Fräser sollte so wenig Anschnitte und Austritte wie möglich vollziehen. Wählt der Maschinenbediener oder Programmierer eine herkömmliche Frässtrategie, so erzielt er zwar ein uniformes optisches Fräsbild bei einfacher Programmierung, doch die Zerspanleistung ist gering aufgrund vieler Leerwege und vieler Anschnitte und Austritte des Werkzeugs. Zusätzlich wird die Standzeit reduziert, das Fräsverhalten ist unruhig und die Maschine wird stärker belastet.

Effizienter und maschinenschonender kann Planfräsen im Karree oder in Schneckenform sein, denn das Werkzeug tritt nur einmal in das Material ein und ist danach permanent im Schnittdruck. Die Bearbeitungszeit kann deutlich reduziert werden bei passenden Bauteilgeometrien und optimaler Programmierung.

Dabei hilft ein gutes Programmiersystem wie Virtual Gibbs von Cimatron, wobei das Modul Volumill anhand der Werkzeugbelastung automatisch den optimalen Werkzeugweg wählt. Mit diesem Feature besteht die Möglichkeit, Werkstücke schnell und kostengünstig herzustellen. Durch die Werkzeugwegtechnik (Ultra-High-Performance Toolpath) werden die marktüblichen Verfahren, die auf dem gleichmäßigen Versetzen der Werkzeugwege beruhen, durch ein Verfahren ersetzt, das sich an der Werkzeugbelastung orientiert.

Ergebnis ist eine konstante Zerspanleistung bei der Bearbeitung. Volumill kann in jeder Virtual-Gibbs-Konfiguration bei der Fräsbearbeitung verwendet werden und wird über einen zusätzlichen Auswahlbutton in der Bearbeitungspalette aktiviert. Modifikationen an den vorhandenen Postprozessoren sind für den Einsatz nicht notwendig.

Volumill erzeugt Werkzeugwege mit idealen Bearbeitungsbedingungen. Das konstante Spanvolumen wird durch eine gleichmäßige Schnittbreite erreicht. Durch verrundete Werkzeugwege und konstantes Spanvolumen können hohe Vorschübe gefahren werden. Der Vorschub wird so angepasst, dass er nicht an der Werkzeugmittelpunktsbahn konstant ist, sondern an der Werkzeugschneide.

Werden hohe Vorschubgeschwindigkeiten gefordert, macht es Sinn, einen Dodeka-Fräser der HF-Variante (High Feed) mit vier bis zwölf Zähnen einzusetzen. Er hat aber einen deutlich flacheren Anstellwinkel von nur 14,5° im Vergleich zu einem Standard-Planfräser mit einem Anstellwinkel von 45°.

Wird der Fräser in der Hochvorschubanwendung eingesetzt, können maximal 2 mm Schnitttiefe gefahren werden, bei Standardanwendungen erreicht der HF-Fräser eine maximale Schnitttiefe von 8 mm und 0,1 bis 0,2 mm Vorschub pro Zahn in Abhängigkeit von der Bearbeitungssituation.

Bei Bauteilen mit einem undefinierbaren Aufmaß musste man sonst erst mit einem anderen Werkzeug einen Definitionsschnitt fahren, um dann mit Hochvorschubfräsern arbeiten zu können. Dieses vereint der Dodeka HF in einem, da er bis maximal 8 mm Schnitttiefe bei einem Vorschub von 0,1 bis 0,2 mm den ersten Schnitt bearbeiten kann und dann bis maximal 2 mm Schnitttiefe im Hochvorschubbereich eingesetzt wird. Sollte beim Hochvorschubfräsen die Leistungsaufnahme der Frässpindel 100% überschreiten, muss entweder die Schnitttiefe oder der Vorschub je Zahn reduziert werden.

HF-Werkzeuge sollten eingesetzt werden, wenn große Flächen planzufräsen sind und die Vorschubgeschwindigkeit mindestens doppelt so hoch ist wie beim herkömmlichen Planfräsen. Zudem bietet sich der Einsatz von HF-Werkzeugen bei labilen Maschinenvoraussetzungen und langen Werkzeugen an, weil die Kräfte überwiegend in axialer Richtung wirken.

Wie nun letztlich Produktivität und Werkzeugauswahl zusammenhängen, verdeutlicht ein Vergleich aus der Zerspanungspraxis: Ein normaler Dodeka-Planfräser mit fünf Zähnen und einem Anstellwinkel von 45° brauchte für die Zerspanung eines Werkstücks aus C45 mit einem Bearbeitungsweg von 10.000 mm eine Zeit von 4,9 min. Demgegenüber steht die HF-Variante mit ebenfalls fünf Zähnen, aber einem deutlich flacheren Anstellwinkel von nur 14,5°.

Die Bearbeitung erfolgte auf einer Okuma MA-600HB bei gleicher Programmierstrategie. Zusätzlich wurde das HF-Werkzeug zur Erschwernis noch mit 200 mm Auskraglänge auf einen Fräsdorn gespannt. Das Ergebnis: Beide Fräser fuhren mit einer Schnittgeschwindigkeit von 270 m/min, der HF-Fräser mit einem Vorschub von 0,9 mm pro Zahn und der Standardfräser mit 0,3 mm pro Zahn. Die Fertigungszeit betrug daher nur 3,27 min, wobei der HF-Fräser wegen der halben Schnitttiefe den doppelten Weg gefahren ist.

Die Auswahl von Werkzeug und Bearbeitungsstrategie ist jedoch nicht allein ausschlaggebend für ein gutes Ergebnis. Ein weiteter Faktor ist das Konstruktionsprinzip der thermisch aktiven Stabilisierung des MA-600HB Space Centers von Okuma. Bei der gesamten MA-H-Baureihe wird dieses Konstruktionsprinzip angewandt – basierend auf der Idee, dass Temperaturabweichungen akzeptabel sind, wenn Methoden gefunden werden, die dadurch bedingten Maschinenausdehnungen zu kontrollieren und zu kompensieren.

Jedes mit diesem System ausgestattete Modell bietet daher hohe Genauigkeit und geometrische Stabilität. Das eigensteife Maschinenbett mit 3-Punkt-Auflage sorgt für vereinfachte und schnelle Aufstellung sowie Genauigkeit. Dank eines gewichtsreduzierten Maschinenständers mit vertikal versetzten Führungen können sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten in X-, Y- und Z-Richtung erreicht werden. Ein schneller, NC-gesteuerter Werkzeugwechsler und ein NC-gesteuertes Werkzeugmagazin vermindern zusätzlich die Nebenzeiten.

Im Rahmen der Hartbearbeitung stellt der Faktor Zeit bei gleichzeitiger Prozesssicherheit die größte Herausforderung an den Anwender. Ziele der dabei durchzuführenden Schruppbearbeitung sind die wirtschaftliche und damit schnelle Zerspanung eines großen Materialvolumens sowie die Annäherung an die Endkontur für die nachfolgende Schlichtbearbeitung. Gerade im Formenbau eliminiert die Hartbearbeitung einige Bearbeitungsschritte wie das manuelle Polieren der Formen und sichert dem Fertiger einen wichtigen Wettbewerbsvorteil.

Allerdings erfordert die Hartbearbeitung die richtige Kombination aus Werkzeugmaschine, Werkzeughalter, Programmiersoftware und Werkzeug. Die richtige Kombination ist der Schlüssel für einen zuverlässigen und produktiven Bearbeitungsprozess.

Kennametal bietet den Vollhartmetall-Fräser Kenfeed für die Bearbeitung von gehärteten Stählen an. Die verfügbaren Geometrien (KMDH 37 bis 52 HRC und KHDH 53 bis 67 HRC) sind speziell auf die unterschiedlichen Härten des zu bearbeitenden Materials ausgelegt und garantieren hohe Zerspanvolumen.

Die speziell entwickelte Geometrie hat sechs Schneiden und steht mit Durchmessern von 6 bis 20 mm zur Verfügung. Der Vergleich der maximalen Zerspanvolumen der unterschiedlichen Werkzeuglösungen und Bearbeitungskonzepte beim Taschenfräsen zeigt, dass mit dem Kenfeed-Hochvorschubfräsen deutlich höhere Zerspanvolumen als mit konventionellen Fräsgeometrien und Bearbeitungskonzepten erreicht werden können. Um die Möglichkeiten des Fräsers voll auszunutzen, kann mit weiteren Informationen über die Geometrie des Werkzeugs das NC-Programm der Werkzeugmaschine angepasst werden:

Besonders wichtig ist es zudem, den Vorschub zu reduzieren, wenn der Fräser einen hohen Umschlingungsgrad hat, zum Beispiel beim Eintauchen und zur Optimierung bei der Zirkular-Interpolation.

Der Kenfeed-Fräser ist bereits eine bewährte Lösung im Formenbau und findet zunehmend Anwendung im allgemeinen Maschinenbau. Dort ist speziell die Bearbeitung mit langen Auskragungen zu nennen, da bei diesen Anwendungen die axialen Seitenkräfte deutlich gesenkt werden. Das Bearbeitungsergebnis wird beim Einsatz langer Fräswerkzeuge zusätzlich durch das Okuma Machining Navi optimiert.

Lange Auskragungen führen häufig zu unerwünschten Schwingungen, wobei das Werkzeug lautstark unter Vibrationen das Werkstück bearbeitet. Ein wirksames Gegenmittel ist die Veränderung der Spindeldrehzahl.

Okuma hat mit dem Machining Navi für die eigene Steuerung OSP-P200 eine Software realisiert, die den Klang der Bearbeitung analysiert und auf Basis der Körperschallsignale die Spindeldrehzahl entweder automatisch anpasst (Machining-Navi M-i) oder am Touchscreen der CN-Steuerung die optimale Drehzahl vorschlägt, die der Bediener dann via Fingertipp unmittelbar in die Steuerung übernehmen kann (Machining Navi M-g).

Das automatisch arbeitende Machining Navi M-i empfängt seine Auswertesignale von maschinenintegrierten Körperschallsensoren. Das Machining Navi M-g erfasst den Zerspanungssound mittels Mikrofon.

Während die sensorintegrierte Lösung nur für Neumaschinen erhältlich ist, ist Machining Navi M-g bei allen OSP-P200-Steuerungen nachrüstbar. So integriert die Steuerung neben dem eigenen, autarken Echtzeit-NC-Betriebssystem (Volante) uneingeschränkte (embedded) Windows-Funktionalitäten. Damit bietet sie die Nutzung von Windows-Programmen wie Excel und Browser oder auch Windows-Applikationen von Peripherieherstellern wie Roboter-UIs, Werkzeugvoreinstellgeräten oder Messmitteln.

Bei der Bearbeitung von rostfreiem Stahl, Titan oder hochwarmfesten Legierungen wie Inconel sind Vollhartmetallfräser bis Durchmesser 25 mm meist erste Wahl, denn sie erlauben dem Anwender hohe Zerspanvolumen bei reduzierten Bearbeitungszeiten. Allerdings haben sie einen höheren Preis und werden daher im allgemeinen Maschinenbau seltener eingesetzt als Wendeplattenwerkzeuge. Das vermeintlich teurere Werkzeug ist allerdings nicht immer das kostenintensivere, insbesondere bei der Wahl der richtigen Frässtrategie und Maschine. Dies verdeutlicht ein Vergleich aus der Zerspanungspraxis am Beispiel Nutenfräsen.

Auf der Okuma MA-600HB wurden Nuten bis 30 mm Tiefe und 40 bis 70 mm Breite mit einem Harvi-II-VHM-Universalfräser sowie einem Wendeplattenfräser gefräst. Die fünfschneidigen Vollhartmetallwerkzeuge können sowohl zur Nutbearbeitung mit einer Schnitttiefe bis 1,5 × D eingesetzt werden wie auch für Abwälzoperationen mit einer maximalen Eingriffsbreite von 0,5 × D bei einer maximalen Schnitttiefe von 1,5 × D.

Durch eine Ungleichteilung der fünf Schneiden und einem Drallwinkel von 38° wird eine vibrationsarme Bearbeitung sichergestellt. Im Ergebnis ist der VHM-Fräser deutlich günstiger als die Wendeplatten, denn die Bearbeitungszeit konnte um zwei Drittel gesenkt werden. Zusätzlich sind die Nutflanken geschlichtet.

Die Vollhartmetall-Fräser des Harvi-I- und -II-Programms sind Allrounder. Diese Fräser haben eine Geometrie wie ein Schlichtfräser, jedoch kann man mit diesem Werkzeug auch ins volle fräsen sowie Schruppbearbeitungen in Stahl, Guss, nicht rostenden Stählen, Sintermetallen, hochwarmfesten Legierungen und Titan bearbeiten.

Der Harvi I hat vier Schneiden mit Schneiden über der Mitte, was auch das direkte Eintauchen (Bohren) erlaubt. Der Harvi II besitzt fünf Schneiden und ist für das Hochleistungsnuten und Walzfräsen geeignet. Beide Fräsertypen werden in den Schneidendurchmessern von 4 bis 25 mm als Standard angeboten. Beide Geometrien sind sowohl in zylindrischer als auch mit Weldon-Ausführung sowie mit abgesetztem Hals verfügbar.

Bohren ist wohl das häufigste Bearbeitungsverfahren in der Fertigungsindustrie. Bohrer leisten präzise und effiziente Arbeit und können in der Geschwindigkeit nicht übertroffen werden.

Was jedoch, wenn die Maschine nicht die geforderte Leistungsfähigkeit hat? Oder die Aufspannung oder das Bauteil zu labil ist, um die entstehenden Kräfte beim Bohrverfahren aufzunehmen? Oder wenn die Bohrung sehr groß ist und kein passendes Werkzeug zur Verfügung steht? Dort kann Fräsen eine gute Alternative sein und verbesserte Software und Werkzeuggeometrien haben in den vergangenen Jahren für eine zunehmende Akzeptanz dieser Alternative gesorgt.

Für die Erzielung optimaler Resultate hinsichtlich Qualität und Bearbeitungsgeschwindigkeit machen die neueste Werkzeugtechnik, eine leistungsfähige Maschine und eine intelligente Programmiersoftware für sich allein jeweils nicht den Unterschied. Der Fertigungsverantwortliche muss diese drei Faktoren optimal aufeinander abstimmen – eine anspruchsvolle Aufgabe, bei der viele Wege zum Ziel führen.

Insbesondere für die flexible Bearbeitung schwer zu zerspanender Werkstoffe bei geringen Nebenzeiten bedarf es neben der richtigen robusten Maschine und dem entsprechenden Bearbeitungsprogramm der optimalen Werkzeugauswahl für die jeweilig zu bearbeitende Werkstückgeometrie. Aber auch die optimale Auswahl und Programmierung der Frässtrategie ist ausschlaggebend für das beste zu erzielende Bearbeitungsergebnis. Die Bearbeitungszeit kann zudem deutlich reduziert werden bei passenden Bauteilgeometrien und optimaler Programmierung.

Das Konstruktionsprinzip der thermisch aktiven Stabilisierung von Okuma sorgt zusätzlich für hohe Bearbeitungsgenauigkeit und Stabilität. Zudem ist nicht immer das vermeintlich teurere Werkzeug das kostenintensivere – Vollhartmetallfräser können unter Umständen die günstigere Alternative sein, denn sie ermöglichen eine verkürzte Bearbeitungszeit im Vergleich zur Wendeplattenlösung.

* Frank Funke ist Produktmanager MTI-Sales und zuständig für Projekte und Erstausrüstungen OEM bei der Kennametal Shared Services GmbH, 90766 Fürth, Jochen Ondra ist Mitarbeiter der Okuma Europe GmbH, 47807 Krefeld, Uwe Walter ist Geschäftsstellenleiter bei der Cimatron GmbH, 57439 Attendorn

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