Marktstudie HSC Europa

INHALTSVERZEICHNIS I

  Inhaltsverzeichnis  

Inhaltsverzeichnis   I

  Abbildungsverzeichnis  V

Tabellenverzeichnis  VII  VII

  Bedeutung der Formelzeichen und Abkürzungen  VIII

1  Einleitung  1

1.1  Definition High Speed Cutting  1

1.2  Geschichtliche Entwicklung HSC  1

1.3  HSC-Technologie  2

1.3.1  Das Wirkprinzip der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung  2

1.3.2  Spezifische Eigenschaften  3

1.3.3  Schnittgeschwindigkeit, Schneidstoff und Beschichtung  3

1.3.4  Vorschubgeschwindigkeit, Spanquerschnitt und Zustellung  4

1.3.5  Kühlschmiermitteleinsatz und Trockenbearbeitung  5

1.3.6  Werkzeuggeometrie, Werkstücktopologie und Bearbeitungsstrategie  5

1.3.7  Oberflächenqualität  5

1.4  Marktstudie  5

1.5  Ziel der Arbeit  6

2  Vergleich zwischen HSC und HPC  7

2.1  High Speed Cutting (HS)C  7

2.1.1  Definitionen aus der Praxis  7

2.1.2  Einsatzgebiete  7

2.1.3  Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zeitspanvolumen  8

2.1.4  Werkzeuge und Schnittdaten  10

2.1.5  Praxisbeispiele  13

2.2  High Performance Cutting (HP)C  14

2.2.1  Begriffsbestimmung und Einsatzgebiete  14

2.2.2  Leistung und Drehmoment  14

2.2.3  Praxisbeispiel  15

2.3  Zusammenfassung  15

2.4  Maschinen in der Praxis  16

2.4.1  Darstellung einer HSC-Maschine  16

2.4.2  Darstellung einer HPC-Maschine  17

INHALTSVERZEICHNIS II

3  Definition von Ausschlusskriterien  19

4  Unterscheidungskriterien bei HSC-Maschinen  24

4.1  Aufbau einer Werkzeugmaschine  24

4.1.1  Gestell  24

4.1.2  Antrieb  27

4.1.3  Führung  29

4.1.3.1  Hydrodynamische Gleitführungen  29

4.1.3.2  Hydro- und aerostatische Gleitführungen  30

4.1.3.3  Wälzführungen  30

4.1.4  Schnittstellen für Werkzeuge und Spannmittel  31

4.1.5  Steuerung  32

4.1.6  Positionsmeßsysteme  32

4.1.7  Features  33

4.2  Unterscheidungskriterien  33

5  Ermittlung von HSC-Maschinenherstellern  34

5.1  Datenerhebung  34

5.1.1  Fachmesse EuroMold 2003  34

5.1.2  Fachbücher und -zeitschriften  35

5.1.3  Recherche im World Wide Web  35

6  Ergebnisse der Marktanalyse  36

6.1  Allgemeines  36

6.2  Technische Aspekte  36

6.3  Überblick über Marktangebot  37

6.3.1  Hermle C 500 V  38

6.3.2  Starrag-Heckert Kinematic SKM  40

6.3.3  Fidia K 199  41

6.3.4  Heyligenstaedt HEYNUMILL ecoflex 2000  43

6.3.5  Handtmann Baureihe UBZ NT  44

6.4  Definition von Leistungsklassen  46

7  Befragung der Anwender  47

7.1  Grundformen der Befragung  47

7.2  Methodische Probleme der schriftlichen Befragung  48

7.2.1  Das Repräsentanzproblem  48

7.2.1.1  Das Rücklaufproblem  48

INHALTSVERZEICHNIS III

7.2.1.2  Das Identitätsproblem  48

7.2.2  Das Kommunikationsproblem  49

7.2.2.1  Das Problem der formalen Gestaltung des Fragebogens  49

7.2.2.2  Das Problem der Steuerung des Befragungsprozesses  49

7.3  Die formale Gestaltung des Fragebogens  51

7.3.1  Umfang des Fragebogens  51

7.3.2  Aufbau des Fragebogens  51

7.3.3  Formulierung der Fragen  52

7.3.4  Fragetypen und Antwortmöglichkeiten  52

7.4  Der Fragebogen  53

7.4.1  Zielgruppe und Durchführung  53

7.4.2  Konzeption und Fragenauswahl  53

7.5  Ergebnisse der Befragung  56

7.5.1  Allgemeines  56

7.5.2  Technische Aspekte  56

7.5.3  Betriebswirtschaftliche Aspekte  58

8  Datenbank  67

8.1  Allgemeines über Datenbanken  67

8.1.1  Definition Datenbank  67

8.1.2  Erstellung einer Datenbank  69

8.2  HSC-Maschinen Datenbank  70

8.2.1  Anforderungen an Datenbank  70

8.2.2  Umsetzung  70

8.2.3  Ausblick Datenbank  73

9  Zusammenfassung und Ausblick  75

10  Literaturverzeichnis  79

11  Anhang  83

11.1  Liste der angeschriebenen Unternehmen  83

11.2  Fragebögen  85

11.3  Ergebnisse der Befragung  95

11.3.1  Antwort „sehr wichtig“  95

11.3.2  Antwort „wichtig“  95

11.3.3  Antwort „neutral“  96

11.3.4  Antwort „weniger wichtig“  96

INHALTSVERZEICHNIS IV

11.3.5  Antwort „nicht wichtig“  97

11.3.6  Altersstruktur HSC-Maschinen  97

  ABBILDUNGSVERZEICHNIS  

  Abbildungsverzeichnis  

  Abbildung 1 1 : Charakteristika der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Sch 96 , S. 4  

  Abbildung 1 2 : Schnittgeschwindigkeiten HSC in Anlehnung an Tsc 02 , S. 316  

  Abbildung 2 1 : Typische Anwendungsbeispiele  

  Abbildung 2 2 : Zusammenhang zwischen Spindeldrehzahl und Schnittgeschwindigkeit  

  eigene Darstellung  

  Abbildung 2 3 : Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und  

  Schnittgeschwindigkeit eigene Darstellung  

  Abbildung 2 4 : Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und Spindeldrehzahl  

  eigene Darstellung  

  Abbildung 2 5 : Bauteil aus Flügelbereich Spe 01 , S. 13 16  

  Abbildung 2 6 : RP 800 Röders GmbH Link02  

  Abbildung 2 7 : ECOSPEED DS Technologie Werkzeugmaschinen GmbH Link04  

  Abbildung 3 1 : Rechenbeispiel eigene Darstellung  

  Abbildung 3 2 : Rechenbeispiel eigene Darstellung  

  Abbildung 4 1 : Aufbau einer Werkzeugmaschine Mil 92 , S. 127  

  Abbildung 4 2 : Bauformen in Anlehnung an Con 02 , S. 170  

  Abbildung 4 3 : Universal-HSC 5 Achs-Bearbeitungszentrum Handtmann Link05  

  Abbildung 4 4 : Kavo Drive Systems Hochfrequenz-Motorspindel Typ 4060 Link06  

  Abbildung 5 1 : Aussteller nach Produktbereichen Link07  

  Abbildung 6 1 : Herkunft der HSC-Maschinen Hersteller eigene Darstellung  

  Abbildung 6 2 : Hermle C 500 V Link08  

  Abbildung 6 3 : Starrag-Heckert Kinematic SKM Link10  

  Abbildung 6 4 : Fidia K 199 Link11  

  Abbildung 6 5 : Heyligenstaedt HEYNUMILL ecoflex 2000 Link13  

  Abbildung 6 6 : Handtmann UBZ NT Link05  

  Abbildung 7 1 : Fragebogen für die Anwender eigene Darstellung  

  Abbildung 7 2 : Werkstoffe eigene Darstellung  

  Abbildung 7 3 : Verbesserungsmöglichkeiten eigene Darstellung  

  Abbildung 7 4 : In technischer Hinsicht wichtigsten Merkmale eigene Darstellung  

  Abbildung 7 5 : Hersteller eigene Darstellung  

  Abbildung 7 6 : Alter der HSC-Maschinen eigene Darstellung  

  Abbildung 7 7 : Bedeutung Preis eigene Darstellung  

  ABBILDUNGSVERZEICHNIS  

  Abbildung 7 8 : Bedeutung Leistung eigene Darstellung  

  Abbildung 7 9 : Bedeutung Design eigene Darstellung  

  Abbildung 7 10 : Bedeutung Hersteller eigene Darstellung  

  Abbildung 7 11 : Bedeutung Service eigene Darstellung  

  Abbildung 7 12 : Bedeutung Produktivität eigene Darstellung  

  Abbildung 7 13 : Bedeutung Flexibilität eigene Darstellung  

  Abbildung 7 14 : Bedeutung Automatisierungsgrad eigene Darstellung  

  Abbildung 7 15 : Antwort “sehr wichtig“ eigene Darstellung  

  Abbildung 8 1 : Schritte zur Erstellung einer Datenbank in Anlehnung an Cor 02 ,  

  Abbildung 8 2 : Formularansicht eigene Darstellung  

  Abbildung 8 3 : Abfrage eigene Darstellung  

  Abbildung 8 4 : Ergebnis der Abfrage eigene Darstellung  

TABELLENVERZEICHNIS VII   

  Tabellenverzeichnis  

Tabelle 1 1  : Anwendungsgebiete der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Sch 96 , S. 4  2

Tabelle 2 1  : Schnittdaten für Vollhartmetall-Schaftfräser bei gehärtetem Stahl in  

  Anlehnung an Link03  12

Tabelle 2 2  : Auf Erfahrung basierende Schnittdaten bei HSC in Anlehnung an Link03  

   12

Tabelle 2 3  : Anhaltswerte für das Schlichten von Vergütungsstahl und legierten  

  Grauguss Ber 01 , S 26 30  13

Tabelle 2 4  : Vergleich zwischen konventioneller und HSC-Bearbeitung in Anlehnung  

  an Jet 00 , S. 21 23  13

Tabelle 2 5  : Vergleich zwischen HSC und HPC eigene Darstellung  16

Tabelle 2 6  : Technische Daten Röders RP 800 Link02  17

Tabelle 2 7  : Technische Daten ECOSPEED Link04  18

Tabelle 3 1  : Übersicht über einzelne Parameter in Abhängigkeit des Werkstoffes  

  eigene Darstellung  20

Tabelle 3 2  : Vorschubgeschwindigkeiten eigene Darstellung  22

Tabelle 4 1  : Eigenschaften von Gestellwerkstoffen in Anlehnung an Con 02 , S. 170  26

Tabelle 4 2  : Vor- und Nachteile der einzelnen Werkstoffe Con 02 , S. 173  27

Tabelle 6 1  : Technische Daten Hermle C 500 V Link09  39

Tabelle 6 2  : Technische Daten Starrag-Heckert Kinematik SKM Link10  41

Tabelle 6 3  : Technische Daten Fidia K 199 Link12  42

Tabelle 6 4  : Technische Daten Heyligenstaedt HEYNUMILL ecoflex 2000 Link13  44

Tabelle 6 5  : Technische Daten Handtmann UBZ NT Link14  45

Tabelle 7 1  : Vor- und Nachteile der Grundformen der Befragung Hüt 02 , S. 77  47

Tabelle 8 1  : Merkmale mit Kategorien zur Auswahl eigene Darstellung  74

VIII FORMELZEICHEN UND ABKÜRZUNGEN

Bedeutung der Formelzeichen und Abkürzungen

1 EINLEITUNG

1 Einleitung

1.1 Definition High Speed Cutting

Der Begriff High Speed Cutting (HSC) kommt aus der englischen Sprache und bedeutet Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Als Faustformel für die HSC-Bearbeitung gilt heute eine um 5- bis 10-fach gegenüber der konventionellen Bearbeitung gesteigerte werkstoffabhängige Schnittgeschwindigkeit bei ähnlichen Vorschüben pro Zahn. Dadurch ergeben sich sehr hohe Drehfrequenzen der Hauptspindel und hohe Vorschubgeschwindigkeiten. Ein weiteres Kennzeichen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist die erzielbare Produktivität, welche im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung deutlich höher liegt [Sch-96, S. 1].

1.2 Geschichtliche Entwicklung HSC

„Die Ursprünge der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung reichen zurück in das Jahr 1931, in welchem Salomon das deutsche Patent Nr. 523594 zur Bearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten anmeldete. Erst mit der industriellen Einsatzreife der Schlüsselbaugruppe der Hochfrequenzspindel zu Beginn der 90er Jahre des vergangenen Jahrtausends standen die entsprechenden Maschinen für die Praxis zur Verfügung. Ausgangspunkt des Einsatzes war die technologisch günstige Zerspanung von Leichtmetallen in der Flugzeugindustrie. Aufgrund des erheblichen Potentials wurden allerdings sehr schnell auch weitere Industriezweige mit einem großen Anteil zerspanender Wertschöpfung wie der Werkzeug- und Formenbau für den HSC-Einsatz erschlossen.

Das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt begann bereits 1979 mit seinen Forschungen auf diesem Gebiet und verfügt heute durch kontinuierliche Forschungstätigkeiten über ein umfangreiches Grundlagen- und Anwendungswissen. Bei den Forschungsarbeiten des PTW wurde großer Wert auf die ganzheitliche Betrachtung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gelegt, wodurch zusätzliche Vorteile dieses Verfahrens erkannt wurden. Neben der Erhöhung des Zeitspanvolumens haben die Untersuchungen gezeigt, dass sich mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit nicht nur die Zerspanungskräfte reduzieren lassen, sondern auch die Prozesswärme mit dem

2 EINLEITUNG

Span abgeführt wird, die Oberflächenqualität erhöht wird und die Bearbeitung im schwingungsunkritischen Bereich erfolgen kann. Aufgrund dieser Tatsachen ergeben sich die in Tabelle 1.1 gezeigten Anwendungsmöglichkeiten. Haupteinsatzgebiete sind insbesondere der Werkzeug-und Formenbau, die Luft- und Raumfahrttechnik, die Herstellung von kritischen wärmeverzugsempfindlichen und dünnwandigen Bauteilen sowie von Präzisionsteilen“ [Sch-96, S. 1-2].

Tabelle 1.1: Anwendungsgebiete der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Sch-96, S. 4]

1.3 HSC-Technologie

1.3.1 Das Wirkprinzip der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

„Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung handelt es sich um eine eigenständige Prozesskette mit sehr spezifischen Anforderungen und Leistungsdaten und nicht nur um eine beschleunigte Variante der bisher bekannten spanenden Verfahren. Wird zur Einhaltung konstanter Spanquerschnitte die Vorschubgeschwindigkeit proportional zur Schnittgeschwindigkeit gesteigert, nimmt die Temperatur an der Schneide nicht in dem Maße zu. Der Grund dafür liegt darin, dass die Vorschubgeschwindigkeit die Wärmeleitgeschwindigkeit des Werkstoffes übersteigt. Die Wärmeausbreitung von der Kontaktstelle in den Grundwerkstoff wird reduziert und größtenteils über die Späne abgegeben, so dass der Bearbeitungszustand langfristig stabil und der Verschleiß wirtschaftlich bleibt“ [Pie-98, S. 3].

3 EINLEITUNG

1.3.2 Spezifische Eigenschaften

„Die Motivation für den Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung liegt in einer Reihe von Vorteilen begründet. Hier sind neben dem höheren Zeitspanvolumen und geringeren Bearbeitungshauptzeiten vor allem das Erzielen besserer

Oberflächenqualitäten, geringere Zerspanungskräfte und die Bearbeitbarkeit gehärteter Materialien zu nennen. Dagegen steht der Nachteil, dass es sich beim Hochgeschwindigkeitsfräsen um eine Technologie handelt, deren Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Produktionsqualität äußerst sensibel von der Wahl verschiedener zum Teil konkurrierender Parameter abhängt. Als wesentliche Einflussfaktoren (Abbildung 1.1) sind zu nennen:

• Schnittgeschwindigkeit, Schneidstoff und Beschichtung

• Vorschubgeschwindigkeit, Spanquerschnitt und Zustellung

• Kühlschmiermitteleinsatz und Trockenbearbeitung

• Werkzeuggeometrie, Werkstücktopologie und Bearbeitungsstrategie

• Oberflächenqualität“ [Pie-98, S. 4]

Tendenz

Abbildung 1.1: Charakteristika der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Sch-96, S. 4]

1.3.3 Schnittgeschwindigkeit, Schneidstoff und Beschichtung

„Ein entscheidender Faktor liegt in den realisierbaren Schnittgeschwindigkeiten, die je nach Paarung von Schneidstoff und Werkstoff sehr weite Bereiche abdecken. So

4 EINLEITUNG

liegen sie zum Beispiel bei den für die spanende Fertigung am häufigsten bearbeiteten Materialien Stahl und Aluminium in den Bereichen von 500-2000 m/min beziehungsweise von 1500-5000 m/min [Pie-98, S. 5]. Abbildung 1.2 zeigt die Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit vom zu bearbeitenden Werkstoff.

HSC-Bereich

Abbildung 1.2: Schnittgeschwindigkeiten HSC [in Anlehnung an Tsc-02, S. 316]

Bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit steigt die thermische Belastung der Schneide progressiv an. Der Standweg wird aufgrund von Diffusionsvorgängen zunehmend geringer. Der Werkzeugstandweg kann durch die Verwendung von warmhärteren Schneidstoffen (zum Beispiel Cermet, CBN, PKD) sowie von verschleißmindernden Beschichtungen (TiN, TiC, TiCN, Al-O-N) vergrößert werden“ [Pie-98, S. 5].

1.3.4 Vorschubgeschwindigkeit, Spanquerschnitt und Zustellung

„Da ein zu geringer Vorschub einen zu geringen Spanquerschnitt zur Folge hat, drückt das Werkzeug statt zu schneiden und verschleißt somit schneller. Ein zu großer Vorschub wiederum erzeugt einen zu großen Spanquerschnitt und damit zu hohe Schnittkräfte. Neben höherem Verschleiß zieht dies auch eine Deflexion des Werkzeuges nach sich. Die axiale Zustellung a p hat einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Verschleißverhalten gegenüber der radialen Eingriffsbreite a e . Zum Sicherstellen einer möglichst langen eingriffsfreien Abkühlphase wird für die Arbeitsbreite ein Anhaltswert von 5-10% des Werkzeugdurchmessers bevorzugt“ [Pie- 98, S. 6].

5 EINLEITUNG

1.3.5 Kühlschmiermitteleinsatz und Trockenbearbeitung

„Der Einsatz von Kühlschmiermittel, meist in Form einer Minimalmengenschmierung, ist abhängig von der Schneidstoff-Werkstoffpaarung. Er dient dazu, chemische Affinitäten zu trennen, und verhindert so die Bildung von Aufbauschneiden. Insbesondere in der Aluminiumbearbeitung mit Hartmetallwerkzeugen zeigen sich günstige Auswirkungen auf Werkzeugstandweg und Oberflächenqualität.

Hochwertigere aber sprödere Schneidstoffe werden aufgrund der schädlichen Temperaturwechselbeanspruchung in der Regel ohne Kühlschmiermittel eingesetzt“ [Pie-98, S. 6].

1.3.6 Werkzeuggeometrie, Werkstücktopologie und Bearbeitungsstrategie

„Im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus müssen freigeformte Geometrien durch zeilenweise Annäherung erzeugt werden. Aufgrund der fast ausschließlichen Verwendung von Kugel- und Torusfräsern kommt es dabei je nach Zielgeometrie zu sehr unterschiedlichen Eingriffverhältnissen, Aufmassschwankungen und

Zerspanungsparametern, die sich ungünstig auf die Prozesssicherheit, die Oberfläche, den Werkzeugstandweg und die Maßgenauigkeit auswirken. Aus diesem Grund ist sehr viel Know-How in die Entwicklung HSC-geeigneter Bearbeitungsstrategien zu investieren, die eine möglichst homogene Bearbeitung der unterschiedlichen Geometriebereiche ermöglichen. Dies erhöht den CAM-Programmieraufwand gegenüber der konventionellen Bearbeitung erheblich“ [Pie-98, S. 7].

1.3.7 Oberflächenqualität

„Die Oberflächenqualität wird bei zu geringer Schnittgeschwindigkeit durch Spanaufklebung beeinträchtigt. Bei zu hoher Schnittgeschwindigkeit kann es trotz geeigneter Spanquerschnitte durch dynamische Rauheit zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität kommen“ [Pie-98, S. 7].

1.4 Marktstudie

„Ein wichtiges Teilgebiet der betriebswirtschaftlichen Dynamik stellt das Marketing dar. Unter Marketing versteht man das Ausrichten und Anpassen der Unternehmenspolitik in sämtlichen Bereichen auf die Erfordernisse und dynamischen Bedingungen des

6 EINLEITUNG

Marktes. Wichtigstes Instrument zum Erlangen von Marktinformationen ist die Marktforschung. Die Marktforschung ist eine systematische, auf wissenschaftlichen Methoden gestützte Untersuchung der für eine Unternehmung wirtschaftlich relevanten Marktbedingungen mit dem Ziel, objektive Unterlagen und Informationen für absatzpolitische Entscheidungen bereitzustellen. Der Marktforschung kommen die Aufgaben der Erforschung der Konkurrenz (Angebot), des Bedarfs (Nachfrage) und der Absatzwege zu. Prinzipiell kann eine Gliederung zur Datengewinnung in die beiden Bereiche Primärforschung und Sekundärforschung vorgenommen werden“ [Bet-98, S. 85-86]. Zur Primärforschung zählen die Befragung und die Beobachtung, zur Sekundärforschung hingegen gedruckte Medien, Datenbanken und das World Wide Web.

Werkzeugmaschinen, welche Gegenstand der vorliegenden Diplomarbeit sind, gehören zur Gruppe der Investitionsgüter und weisen hinsichtlich der Marktforschung einige Besonderheiten auf, die wie folgt zusammengefasst werden:

• „als Nachfrager treten Organisationen auf, zum Beispiel Unternehmungen

• das Käuferverhalten nimmt den Charakter eines in der Regel multipersonalen-organisationalen Beschaffungsverhaltens an

• die Nachfrage ergibt sich als abgeleitete Größe

• der Verwendungszweck besteht in der Hervorbringung weiterer Sachbeziehungsweise Dienstleistungen

• es handelt sich häufig um komplexe Problemlösungen, die auf individuelle Kundenbedürfnisse zugeschnitten werden müssen“ [Hüt-02, S. 417].

1.5 Ziel der Arbeit

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Durchführung einer Marktstudie von europäischen HSC-Maschinenherstellern. Dazu soll im ersten Schritt zunächst die heutige Definition von High Speed Cutting (HSC) und High Performance Cutting (HPC) erarbeitet werden. Im nächsten Schritt werden Ausschlusskriterien definiert, auf deren Grundlage die Maschinen eindeutig dem HSC-Spektrum zugeordnet werden können. Danach werden alle auf dem europäischen Markt befindlichen HSC-Maschinen ermittelt. Anschließend folgen die Erhebung und die Auswertung der Kundenanforderungen mit Hilfe eines Fragebogens. Das Ergebnis der Arbeit wird schließlich in einer Datenbank dokumentiert, welche mit Microsoft Access erstellt wird.

7 VERGLEICH ZWISCHEN HSC UND HPC

2 Vergleich zwischen HSC und HPC

2.1 High Speed Cutting (HSC)

2.1.1 Definitionen aus der Praxis

Das vorliegende Kapitel wird zunächst mit einigen HSC-Definitionen aus der Perspektive der Praxis eingeleitet:

• „Kombination aus hoher Spindeldrehfrequenz und hoher

Vorschubgeschwindigkeit abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff“ (Markus Berger, Schunk, Lauffen) [Jet-00, S. 21-23]

• „hohe Spindeldrehfrequenz und hohe Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom zu bearbeitenden Werkstoff und zusätzlich höhere Bearbeitungsqualität bei reduzierten Fertigungszeiten und -kosten“ (Hans W. Beck, Beck Engineering, Sinsheim) [Jet-00, S. 21-23]

• „HSC bedeutet nicht nur hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten sondern auch niedrige Span-zu-Span-Zeiten“ (Wolfgang Hockauf, Robert Bosch, Stuttgart) [Jet-00, S. 21-23]

2.1.2 Einsatzgebiete

Die HSC-Technologie findet hauptsächlich bei der Herstellung von Formen und Schmiedegesenken und außerdem in der Präzisionsmechanik Verwendung. Typische Anwendungsbeispiele sind in Abbildung 2.1 dargestellt.

8 VERGLEICH ZWISCHEN HSC UND HPC

Abbildung 2.1: Typische Anwendungsbeispiele

2.1.3 Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zeitspanvolumen

Wie bereits in Kapitel 1.1 beschrieben, beruht die Definition von HSC auf einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um einen Faktor fünf bis zehn im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung. Gleichung 2.1 zeigt, dass die Schnittgeschwindigkeit v ^c lediglich durch die beiden Parameter Werkzeugdurchmesser d und Spindeldrehzahl n beeinflusst wird. π ⋅ ⋅ = d (2.1) n v c

Diese Gleichung macht deutlich, dass mit Erhöhen der Spindeldrehzahl oder des Werkzeugdurchmessers die Schnittgeschwindigkeit linear zunimmt (Abbildung 2.2 und 2.3).

9 VERGLEICH ZWISCHEN HSC UND HPC

Schnittgeschwindigkeit v [m/min]

C

d=const.

Spindeldrehzahl n [min ] -1

Abbildung 2.2: Zusammenhang zwischen Spindeldrehzahl und Schnittgeschwindigkeit [eigene Darstellung]

Schnittgeschwindigkeit v [m/min]

C

n=const.

Werkzeugdurchmesser d [mm]

Abbildung 2.3: Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und

Schnittgeschwindigkeit [eigene Darstellung]

Ein Beispiel soll diesen Sachverhalt verdeutlichen. Eine Schnittgeschwindigkeit von 2.500 m/min lässt sich mit einem 20-mm-Schaftfräser bei einer Spindeldrehzahl von etwa 40.000 min ^-1 erreichen. Die gleiche Schnittgeschwindigkeit wird bei einem Messerkopf mit 200 mm Durchmesser bereits bei einer Drehzahl von 4.000 min ^-1 erreicht (Abbildung 2.4). Das simple Beispiel zeigt, dass nicht nur die Spindeldrehzahl der Maschine die HSC-Bearbeitung definiert. Ein konventionelles Bearbeitungszentrum mit einer Spindeldrehzahl von 4.000 min ^-1 ist also grundsätzlich nicht weniger für die HSC-Bearbeitung geeignet [Elz-04, S. 12-21].

10 VERGLEICH ZWISCHEN HSC UND HPC

[mm]

d

Werkzeugdurchmesser

Spindeldrehzahl n [min ] -1

Abbildung 2.4: Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und Spindeldrehzahl [eigene Darstellung]

Neben der Schnittgeschwindigkeit spielt auch die Vorschubgeschwindigkeit bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eine wichtige Rolle. Die Vorschubgeschwindigkeit v ^f ist das Produkt aus Spindeldrehzahl n, Zähnezahl des Fräsers z und Vorschub pro Zahn f z (Gleichung 2.2). ⋅ ⋅ = (2.2) f z n v

z f

Der Vorschub erhöht sich sogar noch mehr, wenn ein kleiner Fräserdurchmesser gewählt wird, unter der Voraussetzung, dass der Vorschub pro Zahn und die Anzahl der Zähne gleich bleiben. Zwecks Ausgleichs eines kleineren Durchmessers ist zur Beibehaltung der gleichen Schnittgeschwindigkeit die Spindeldrehzahl zu erhöhen. Eine höhere Spindeldrehzahl wiederum bietet einen höheren Vorschub. Sehr typisch für die HSC-Anwendung ist die Tatsache, dass die Schnitttiefe a p und die Schnittbreite a e sowie die mittlere Spandicke h m im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung sehr viel niedriger sind. Das Zeitspanvolumen ist dennoch beträchtlich größer als bei der herkömmlichen Zerspanung. Gleichung 2.3 beschreibt die Berechnungsformel für das Zeitspanvolumen Q [Link03]. ⋅ ⋅ = (2.3) a a v Q

p e f

2.1.4 Werkzeuge und Schnittdaten

Typische Bearbeitungen im Werkzeug- und Formenbau sind Schruppen, Vorschlichten, Schlichten und in vielen Fällen Feinschlichten. In 80 bis 90% aller Fälle kommen als

11 VERGLEICH ZWISCHEN HSC UND HPC

Werkzeuge Vollhartmetall-Schaftfräser oder Kugelschaftfräser zum Einsatz. Die Vollhartmetall-Schaftfräser verfügen über verstärkte Schneidkanten und über neutrale oder negative Spanwinkel. Ein typisches und wesentliches Werkzeugmerkmal ist ein dicker Kern für eine maximale Biegefestigkeit. Der Werkzeugdurchmesser beträgt allgemein zwischen 1 und 20 mm.

Ein zu beachtender Hauptparameter beim Vorschlichten oder Schlichten mit der HSC-Technologie in gehärtetem Werkzeugstahl ist die Verwendung von geringen Schnitttiefen. Die Schnitttiefe a p und die Schnittbreite a e sollten einen Wert von 0,2 mm nicht überschreiten. Dadurch soll eine übermäßige Werkzeugabdrängung vermieden und ein hohes Toleranzniveau sowie eine geometrische Genauigkeit der bearbeiteten Form oder Gesenkes beibehalten werden. Eine gleichmäßige Verteilung des zerspanten Materials für jedes Werkzeug garantiert auch eine konstante und hohe Produktivität. Die Schnittgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit werden bei einem konstanten Verhältnis von Schnitttiefe zu Schnittbreite auf dauerhaft hohem Niveau verbleiben. Das Ergebnis sind reduzierte mechanische Schwankungen, eine verminderte Belastung der Schneidkante sowie eine verbesserte Standzeit [Link03]. Im Werkzeug- und Formenbau werden Werkstücke in der Regel durch das Hochgeschwindigkeitsfräsen gefertigt. Die Oberfläche wird dabei zeilenförmig mit Hilfe von Torus- und Kugelkopffräsern angenähert. Um tiefe Kavitäten und Geometrien mit geringen Verrundungsradien zu fertigen, sind häufig schlanke und lang auskragende Werkzeuge notwendig. Aufgrund der auftretenden Prozesskräfte werden diese vom Werkstück weg gebogen [Ral-00, S. 32-34].

Untersuchungen zeigen, dass geringe Werkzeugabdrängungen durch verschiedene geeignete Kombinationen von Aufmass, Bahnabstand und Zahnvorschub erreicht werden können. Minimale Maßabweichungen sind also auch dann möglich, wenn einzelne Parameter aufgrund anderer Kriterien festgelegt sind. Aus Gründen der dynamischen Steifigkeit sind hohe Schnittgeschwindigkeiten sinnvoll. Hochgenaue Spannsysteme und Werkzeuge mit geringen Fertigungstoleranzen vermindern die Streuung der Werkzeugabdrängung. Durch Kenntnis des Prozessverhaltens können die Maßhaltigkeit der gefertigten Flächen gesteigert und die Bearbeitungskosten gesenkt werden [Ral-00, S. 32-34].

12 VERGLEICH ZWISCHEN HSC UND HPC

Typische Schnittdaten für Vollhartmetall-Schaftfräser mit einer TiC, TiN oder TiAlN-Beschichtung bei gehärtetem Stahl (HRC 54-58) sind Tabelle 2.1 zu entnehmen [Link03].

Tabelle 2.1: Schnittdaten für Vollhartmetall-Schaftfräser bei gehärtetem Stahl [in Anlehnung an Link03]

Tabelle 2.2 zeigt auf Erfahrungswerten basierende Schnittdaten für verschiedene Werkstoffe.

Tabelle 2.2: Auf Erfahrung basierende Schnittdaten bei HSC [in Anlehnung an Link03]

Anhaltswerte für das Schlichten von Vergütungsstählen und legiertem Grauguss mit Torus- beziehungsweise Kugelkopffräsern sind in Tabelle 2.3 dargestellt.