HSC  - Bearbeitungszentren und ihre Einflussfaktoren:  

Vorteile  durch Strategie und Technologie  

Von:  Matthias Scheja  

Inhaltsverzeichnis..............................................................................................   1

Abbildungsverzeichnis.   2

Abk  ürzungsverzeichnis.  3

1  Einleitung und methodischer Aufbau der Thematik.  4

2  Definition und sich ergebende Vorteile des High-Speed-Cuttings.  5

3  Einflussfaktoren auf die HSC-Bearbeitung  7

3.1  CAD/CAM - Daten und CNC-Steuerung.  7

3.2  Bediener und Frässtrategie  9

3.3  Maschine.  10

3.4  Antriebe.  12

3.5  Spindel und Werkzeugaufnahme  13

4  Automation.  15

4.1  Bedeutung bei HSC - Anwendungen  15

4.2  Beispielhafte Automationslösung.  16

5  Möglichkeiten und Grenzen der HSC - Bearbeitung.  17

6  HSC in Gegenwart und Zukunft  20

6.1  Aktuelle Branchen der HSC - Bearbeitung  20

6.2  Zu erwartende Entwicklung des HSC  21

Anlagenverzeichnis   24

Literatur  - und Quellenverzeichnis  30

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Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: Parameter der HSC-Bearbeitung  

Abbildung  2: Auswirkungen auf die Prozesskette  

Abbildung  3: Typische HSC-Frässtrategien  

Abbildung  4: Antriebsvergleich mittels Kreuzgittermessung  

Abbildung  5: Anwendungsgebiete HSC-Bearbeitung  

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Abkürzungsverzeichnis

CAD Computer Aided Design (rechnerunterstützte Konstruktion) CAM Computer Aided Manufacturing (rechnerunterstützte Fertigung) CNC Computerized Numerical Control

HSC High-Speed-Cutting (Hochgeschwindigkeitsbearbeitung) HSK Hohlschaftkegelaufnahme NC Numerical Control SK Steilkegelaufnahme

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1 Einleitung und methodischer Aufbau der Thematik

Verringerung der Durchlaufzeiten, Zunahme an Qualität, Steigerung der Produktivität, Bearbeitung innovativer Werkstoffe bis hin zur Erhöhung der Prozesssicherheit sind heutzutage gängige Anforderungen der industriellen Produktion beziehungsweise der Fertigungstechnik im Allgemeinen. Moderne Werkzeugmaschinen müssen sich mehr denn je an diesen messen lassen, um das Ziel einer hochwertigen, wirtschaftlichen und ferner auch flexiblen Fertigung realisieren zu können.

Gerade unter diesen Gesichtspunkten kristallisiert sich die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (im Folgenden HSC) zu einem der großen Trends in der Zerspanung heraus. Insbesondere im Fertigungsverfahren Fräsen dreht sich hierbei alles um hohe Zeitspanvolumina, den damit verbundenen verkürzten Fertigungszeiten, um verlängerte Werkzeugstandzeiten bei gleichzeitig hohen Maß- und Oberflächengenauigkeiten.

Dabei ermöglicht HSC die Komplettbearbeitung aller Werkstückdimensionen, von z.B. Formen oder Gesenken, vom Vorschruppen bis hin zur Finishbearbeitung in einer einzigen Aufspannung. Demzufolge stellt es nicht nur ein bloßes Anwendungsverfahren im Bereich Fräsen dar, sondern kann vielmehr als Prozesskette gesehen werden, in der sämtliche Faktoren aufeinander abgestimmt sein müssen.

Die Grundlage für die HSC-Anwendung sind neue Maschinenkonzepte mit leistungsstarken und extrem schnellen Komponenten in einem, eben auch als ganzheitlich betrachteten Fertigungsprozess.

Im Rahmen der Hausarbeit soll zuerst auf die Definition, seine Integration in die Prozesskette und den dadurch resultierenden Vorteilen der HSC-Bearbeitung eingegangen werden.

Das Konzept des HSC-Bearbeitungszentrums und die Einflussfaktoren auf eine erfolgreiche HSC-Anwendung stehen im Fokus dieser Arbeit. In diesem Kontext wird sich exemplarisch auf die Ausführungen der HSC-Bearbeitungszentren der DECKEL MAHO Seebach GmbH bezogen.

Die Bedeutung und eine beispielhafte Anwendung des HSC innerhalb einer Automatisierungslösung soll danach vorgestellt werden. Darauf aufbauend lassen sich die Möglichkeiten, sowie Grenzen von HSC festhalten und bewerten. Die gegenwärtigen Branchen und zukünftigen Aussichten dieser Technologie schließen die Arbeit ab.

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2 Definition und sich ergebende Vorteile des

High-Speed-Cuttings

Der Begriff High-Speed-Cutting bzw. zu Deutsch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung orientiert sich im Allgemeinen an der Schnittgeschwindigkeit. In der klassischen Definition wird von HSC gesprochen, wenn mit einer um den Faktor 5 -10 höheren Schnittgeschwindigkeit als im konventionellen Bereich zerspant wird. (vgl. Schönherr 2005: 296)

Generell kann auch unter HSC ultra-präzises Fräsen auf CNC-Maschinen bei sehr hohen Schnitt- und sehr hohen Bahn- bzw. Vorschubgeschwindigkeiten verstanden werden. (vgl. Tschätsch et al. 2008: 302) Trotz den sehr hohen Vorschüben erreicht die HSC-Technologie extreme Genauigkeiten und maximale Konturtreue zu den programmierten Bahnen. Als Folgen lassen sich beste Werkstückoberflächen und -genauigkeiten bei kürzesten Bearbeitungszeiten festhalten. (vgl. Tönshoff et al. 2005: 370 f.)

Welche Parameter in welcher Weise von der HSC-Bearbeitung beeinflusst werden verdeutlicht die folgende Abbildung 1:

Abbildung 1: Parameter der HSC-Bearbeitung (DECKEL MAHO Seebach GmbH 2010: 13)

Es sollte infolgedessen bewusst werden, dass „Spanbildung, Werkzeugverschleiß, Schnitttemperatur, Schnittkräfte, Spanungsvolumen und erreichbare Oberflächengenauigkeiten ... dabei besonders wichtige Gesichtspunkte [sind].“ (Degner et al. 2009: 145)

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Aber nicht nur das hohe Spanvolumen, sowie die Werkstückqualität in Maß und Form bei geringen Belastungen für die Maschine und das Werkstück selbst sind Ansatzpunkte für die Umsetzung dieser Technologie. Betrachtet man, unter Berücksichtigung der stetigen Weiterentwicklung bei Schneidstoffen und Werkzeugen, den Prozess der Fertigung von z.B. einer Spritzgießform, so kann heutzutage unter Verwendung der HSC-Technologie, aus einem gehärteten Rohling direkt die fertigverwendbare Form gefräst werden. Im Vergleich zu klassischen Prozessketten im Werkzeug- und Formenbau, entfällt hierbei geringstenfalls die Wärmebehandlung zum Härten nach dem Zerspanungsprozess, sowie die darauffolgende Feinbearbeitung, um die geforderten Genauigkeiten zu erzeugen.

Ferner kann bei einer Vielzahl von Anwendungen mit der geeigneten HSC-Strategie auf Erodieren und Polieren verzichtet werden. Dies allein birgt eine erhebliche Zeitersparnis bis zu 50%, da sich durch Erodieren eine so genannte Weishaut, als Oberflächenbeschädigung bildet, die in spezieller Nacharbeit entfernt werden muss. (vgl. Schönherr 2002: 302)

Durch diese Minimierung der Fertigungsschritte und den resultierenden, geringeren Aufwand, durch nur ein einziges Fertigungsverfahren, kann eine absolute Prozesszeitreduzierung von bis zu 60% im Vergleich zur konventionellen, auf mehrere Verfahren basierenden Fertigung, erreicht werden. In der folgenden Abbildung wird das Potential zur Zeitersparnis innerhalb einer schematischen Prozesskette verdeutlicht. Der geringere Entwicklungsaufwand lässt sich durch die Reduzierung auf ein, im Vergleich zum konventionellen, schnelleren Fertigungsverfahren erklären.

Abbildung 2: Auswirkungen auf die Prozesskette (DECKEL MAHO Seebach GmbH 2010: 15)

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3 Einflussfaktoren auf die HSC-Bearbeitung

Der wirtschaftliche Einsatz von HSC, um die zuvor aufgezeigten Vorteile realisieren zu können, hängt von verschiedenen Parametern ab. Im weiteren Verlauf sollen die HSC-Bearbeitungszentren und ihre unmittelbaren Einflussfaktoren auf den Erfolg der Bearbeitung behandelt werden, wobei die werkzeug-betreffenden Parameter bei der Betrachtung zunächst vernachlässigt werden.

Unter die o.g. Einflussfaktoren fallen zum einen die Maschine selbst, samt ihrer beiden Kernkomponenten - Antriebe und Spindel mit dazugehöriger Werkzeugaufnahme. (vgl. Degner et al. 2009: 145 f.)

Zum anderen sind ebenfalls die CAD/CAM - Daten, die Steuerung und die vom Bediener gewählte Frässtrategie bzw. Technologie an sich an dieser Stelle zu nennen. (vgl. Weinert 2001: 483)

Um maximalen Erfolg mit der HSC-Bearbeitung zu haben, müssen all diese am Fertigungsprozess beteiligten Komponenten optimal aufeinander abgestimmt sein. Da Zielkonflikte hier praktisch vorbestimmt sind, ist es unumgänglich geeignete Kompromisse zu finden, um z.B. die dynamischen Anforderungen an die Maschine, bei gleichzeitig hoher Steifigkeit der Verbindung Maschine-Werkzeug realisieren zu können.

3.1 CAD/CAM - Daten und CNC-Steuerung

Der erste zu behandelnde Einflussfaktor auf das Endergebnis der HSC - Bearbeitung lässt sich schon bei Beginn des Fertigungsprozess finden. So sind qualitativ hochwertige CAD/CAM - Daten eine unabdingbare Vorraussetzung für HSC. Schlechte Geometriedaten führen zu unerwünschten Richtungsänderungen des Werkzeugs innerhalb der programmierten Bahnen, sowie zu einem deplacierten Abbremsen und Beschleunigen des Vorschubs. Die Folgen daraus können mit Vibrationen, erhöhter Maschinenbeanspruchung, schlechten Werkstückoberflächen, verkürzten Werkzeugstandzeiten bis hin zu längeren Bearbeitungszeiten zusammengefasst werden. (vgl. Tschätsch et al. 2008: 305)

Die Ursachen für schlechte Geometriedaten reichen von illegalen Kopien von CAD/CAM- Software, über schlechte Transformation der CAD - Daten zu Bahnpunkten im CAM - System, inkompatible CAD- bzw. CAM - Systeme bis hin zu schlichten Konstruktionsfehlern z.B. einfach nur durch die Verwendung zu großer Toleranzen.