High Speed Cutting - Fräsen


Seminararbeit, 2011
40 Seiten, Note: 2,0

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Einführung in die Frästechnologie
2.1 Unterscheidung nach der Laufrichtung
2.2 Unterscheidung nach den Fräsverfahren
2.3 Unterscheidung der Fräser

3 HSC-High Speed Cutting
3.1 Definition
3.2 EinflussderGeschwindigkeit
3.3 Geschichte
3.4 Anwendungsgebiet
3.5 Vorteile des HSC-Fräsen gegenüber dem konventionellen Fräsen

4 Spezifische Merkmale und Einflussfaktoren des HSC-Fräsen
4.1 Werkzeugmaschine
4.2 Antrieb
4.3 Steuerung
4.4 Werkzeugspanntechnikund Werkzeugaufnahme
4.5 Maschinengestell
4.6 Aufbaucharakteristik
4.7 Parameter bei der Werkzeugauswahl

5 Aktuelle Technologie und Forschung
5.1 DMG-Deckel MahoGildemeister
5.2 Hochgeschwindigkeitsfräscenter
5.3 Steuerung
5.4 Antrieb
5.5 Spanfutter
5.6 Werkzeugauswahl

6 Fazit

Literaturverzeichnis

Patentschrift

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Gleichlauffräsen/Gegenlauffräsen

Abbildung 2: Fräsverfahren

Abbildung 3: Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

Abbildung 4: Auswirkung der HSC-Bearbeitung

Abbildung 5: DMU 60P duoBlock von DECKEL MAHO

Abbildung 6: Lagerung von Hochfrequenzmotorspindeln

Abbildung 7: Unterschiedliche Werkzeugspannmöglichkeiten

Abbildung 8: HSC-Fräser der Fa. Jabro

Abbildung 9: HSC-Center von DMG

Abbildung 10: HSC 20 linear

Abbildung 11: VM Baureihe von Hass Automation

Abbildung 12: Aufbau der IBAG Magnetlager-Motorspindel

Abbildung 13: IBAG Magnetlager-Motorspindel HF120MA80

Abbildung 14: Dynamic Compliance

Abbildung 15: HSC-Superstar-Fräser

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten[1]

1 Einleitung

Im Zuge der Globalisierung wird in allen Bereichen der Produktion nach Möglichkeiten und Chancen effektiver Bearbeitungstechniken und Prozesstechnologien gesucht. Um diesen internationalen Wettlauf gerecht zu werden müssen die Anforderungen der Produktion nach geringeren Durchlauf­zeiten, hoher Qualität und steigender Produktivität innovativ gelöst werden. Unter diesen Gesichts­punkten spricht man in der Fertigungstechnik von intelligenten „Fertigungssystem". Vor allem in der Zerspanungstechnik, insbesondere in der Frästechnologie, stellt hier das High Speed Cutting (HSC) ein großes Potential dar.[2]

Die sogenannte Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird von vielen für eine ausgereifte Technologie gehalten. Als diese zum ersten Mal vor über zehn Jahren auch in der Praxis angewendet wurde, ha­ben zahlreiche Firmen aus Marketinggründen versucht, ihre Produkte mit dem Label HSC zu schmü­cken, obwohl dies oft nicht der Fall war. In der heutigen Zeit ist die Hochgeschwindigkeitsbearbei­tung eine etablierte Technologie, wobei es nach wie vor schnelle und bedeutende Weiterentwicklun­gen gibt, welche zu großen Unterschieden zwischen den am Markt angebotenen Techniken, insbe­sondere der Hochgeschwindigkeitsfräszentren, führen. Die Ziele sind die gleichen geblieben. Die Un­ternehmen versuchen die Bearbeitung schneller, genauer, besser und flexibler zu gestalten, um so­mit einen aufeinander abgestimmten optimalen Fertigungsprozess zu gewährleisten.[3] Die Basis der HSC-Fräsbearbeitung stellen neue Maschinenentwicklungen dar, die innovative, extrem schnelle und leistungsstarke Elemente besitzen.

Diese wissenschaftliche Arbeit soll einen Überblick über das Technologiegebiet des HSC-Fräsens ge­ben. Als erstes wird eine Einführung in die Frästechnologie gegeben. Desweiteren wird auf die Defini­tion und Einflussparameter des HSC-Fräsen eingegangen, die Integration des HSC-Fräsens in die Pro­zesskette erläutert und auf die dadurch resultierenden Vorteile gegenüber den konventionellen Fräsmethoden eingegangen. Die spezifischen Merkmale und Faktoren, die eine optimale HSC- Bearbeitung ermöglichen und die aktuellsten Technologien, die im nachfolgenden vorgestellt wer­den, stehen im Fokus dieser Arbeit. Die Erläuterung der Chancen und Risiken und der Ausblick über die zukünftige HSC-Technologie schließen diese Arbeit ab.

2 Einführung in die Frästechnologie

König und Klocke definieren das Fräsen wie folgt:

„Fräsen ist ein spanabhebendes Fertigungsverfahren mit kreisförmiger Schnittbewegung eines meist mehrzahnigen Werkzeugs zur Erzeugung beliebiger Werkstückoberflächen."[4]

Eine weitere ähnliche Definition ist in der DIN 8589 zu finden:

„Fräsen ist Spanen mit kreisförmiger, einem meist mehrzahnigen Werkzeug zugeordneter Schnittbe­wegung und mit senkrecht bzw. schräg zur Drehachse des Werkzeuges verlaufender Vorschubbewe­gung."

Die Besonderheit beim Fräsen liegt in der diskontinuierlichen Spanabnahme, das bedutet eine rhytmisch wiederkehrende Spanunterbrechung und Schnittkraftschwankung. Das Werkzeug führt die rotierenden Hauptbewegungen aus.

2,1 Unterscheidung nach der Laufrichtung

Grundsätzlich wird zwischen Gleichlauffräsen und Gegenlauffräsen unterschieden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Gleichlauffräsen/Gegenlauffräsen[5]

Gegenlauffräsen:

In der Schnittzone ist die Drehrichtung des Fräsers entgegengesetzt zur Vorschubrichtung des Werk­stücks. Das Werkzeug erzeugt einen Span, dessen Breite bei 0 anfängt und am Ende des Schnittes den maximalen Querschnitt erreicht.

Gleichlauffräsen:

In der Schnittzone stimmt die Drehrichtung des Fräsers mit der Vorschubrichtung des Werkstücks überein. Zu Beginn des Schnittes tritt die Schneide auf das Werkstück und erzeugt den größten Span­querschnitt. Beim Gleichlauffräsen erfolgt gegenüber dem Gegenlauffräsen eine Verbesserung der Standzeit und der Oberflächengüte des Werkstückes. Der Verschleiß des Werkzeuges ist geringer, die Späne werden leichter abgeführt und weniger Kraft wird benötigt.[6]

2.2 Unterscheidung nach den Fräsverfahren

Nach der DIN 8589, Teil 3 wird das Fräsen in 6 Gruppen unterteilt. Die Einordnung erfolgt nach den Gesichtspunkten Oberflächengüte, Form des Werkzeuges und Kinematik:[7]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Fräsverfahren[8]

Planfräsen:

- Erzeugung von ebenen Flächen
- Geringe Vorschubbewegung
- Umfangs-Planfräsen, Stirn-Planfräsen, Stirn-Umfangsfräsen

Rundfräsen:

- Herstellung von zylindrischen Flächen mit Hilfe von Außen- und Innen-Rundfräsen
- Kreisförmige Vorschubbewegung
- Außenrundfräsen, Innenrundfräsen (Bild)

Schraubfräsen:

- Herstellung von schraubenförmigen Flächen z.B. Gewinde, Verschraubung
- Wendelförmige Vorschubbewegung
- Gewindefräsen, Zylinderschneckenfräsen (Bild)

Walzfräsen:

- Herstellung von ebenen und räumlichen Flächen mit profilierten Fräsern z.B. Zahnräder, Keilwellen
- Gleichzeitige Vorschub- und Wälzbewegung
- Zahnradfräsen (Bild)

Profilfräsen:

- Herstellung von speziellen Profilen z.B. beim Fräsen von Nuten, Radien, Zahnräder, Führun­gen
- Profil des Fräsers zeichnet sich auf dem Werkstück ab
- Rund-Profilfräsen, Längs-Profilfräsen (Bild)

Formfräsen:

- Erzeugung von beliebig ebenen und räumlichen Flächen mit Freiformfräsen (Gravieren), NC- Formfräsen und Nachformfräsen
- Gesteuerte Vorschubbewegung
- Nachformfräsen, NC-Formfräsen[9]

2.3 Unterscheidung der Fräser

Aufgrund der Vielseitigkeit der Fräsverfahren gibt es auch dementsprechend viele verschiedene Kon­struktionen der Fräser. Die Fräserwerkzeuge werden nach dem Einsatzzweck des Fräsers bzw. der zu fräsenden Form unterschieden. Im Folgenden ist ein Überblick über die verschiedenen Fräserarten und Werkstückformen gegeben:[10]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Walzenfräser (DIN 884): Planfräsen ebener Flächen
- Walzenstirnfräser (DIN 1880): an ebenen Flächen
- Scheibenfräser (DIN 885): breite-, tiefe Nut
- Nutenfräser (DIN 1890): schmale-, flache Nut
- Winkelstirnfräser (DIN 842): winkelige Führung
- Prismenfräser (DIN 847): prismatische Führung
- Konvexfräser (DIN 856): konkave Kurven / Form
- Konkavfräser (DIN 855): konvexe Kurven / Form
- Langlochfräser (DIN 327): Keilnuten und Langlöcher
- Schaftfräser (DIN 844): tiefe Nuten und durchgehende Langlöcher
- T-Nutenfräser (DIN 851): T-Nuten (DIN 650)
- Gesenkfräser (DIN 1889): Gesenke und Formen
- Kreissäge (DIN 1838): tiefe, schmale Schlitze
- Zahnformfräser: Zahnräder fräsen
- Abwälzfräser: Zahnrad fräsen
- Messerkopf: ebene Fläche

3 HSC-High Speed Cutting

3.1 Definition

Der Begriff HSC - High Speed Cutting, zu Deutsch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird verwendet ohne dass eine eindeutige auf physikalischen Grundlagen beruhende Definition existiert. Im Allge­meinen wird in der Literatur die Definition über die Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit definiert.

High Speed Cutting: „...die Fertigung unter Verwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten (Spindel­drehzahlen) und/oder gleichzeitig großen Vorschubgeschwindigkeiten, zur Erreichung kurzer Bear- beitungs- bzw. Durchlaufzeiten."[11]

Eine Erweiterung der Definition umfasst den gesamten Fertigungsprozess. Alle beteiligten Prozesspa­rameter müssen berücksichtigt werden mit dem Ziel, die Kosten bei maximalem Nutzen signifikant zu senken. Die optimale Zerspanungslösung besteht aus dem perfekten Zusammenspiel von unter ande­rem Werkzeugmaschine, Werkzeug, Werkzeugspanntechnik, Kühlschmierstoffund den zerspanungs­technischen Parameter wie Spindeldrehzahlen und Vorschüben bzw. Schnittgeschwindigkeit.

Natürlich werden von den Unternehmen in den meisten Fällen höhere Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe gefordert, um bis zu 50% kürzere Hauptzeiten zu realisieren.[12]

3.2 Einfluss der Geschwindigkeit

Die HSC-Zerspanungsprozesse erreichen höhere Schnitt- und höhere Vorschubgeschwindigkeiten im Vergleich zum konventionellen Spanen. Dadurch wird die gesamte Bearbeitungszeit verkürzt. Die Schnittgeschwindigkeit ist im Gegensatz zur herkömmlichen Zerspanung um den Faktor 5 bis 10 hö­her, wie man in Abbildung 3 erkenn kann.

Hier kann als weiteres Beispiel die Schnittgeschwindigkeiten von Stahlwerkstoffen(St) mit Hartme­tallschneidstoffen hinzu gezogen werden:[13]

- Konventionelle Schnittgeschwindigkeit: vc = 70. 250 m/min
- Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSC): vc = 700. 2500m/min

Im Allgemeinen kann man sagen das HSC-Fräsen je nach Werkstoff mit Schnittgeschwindigkeiten zwischen 1000... 7000m/min arbeiten.[14]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung[15]

Die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit beeinflusst weitere Parameter, die in Abbildung 4 darge­stellt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Auswirkung der HSC-Bearbeitung[16]

Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung vergrößert sich das Zeitspanvolumina bis zu 30%, die Bearbeitung am Werkstück erfolgt formgenauer und die Oberflächenqualität verbessert sich, was eine Einsparung nachfolgender Schleifoperationen bewirken kann. Die Gebrauchswerteigenschaften des gespanten Werkstückes wie zum Beispiel das Reibungs-, und Verschleißverhalten nehmen zu. Die Zerspanungskräfte können, durch die Veränderung des Spanablaufes, um das 30-fache geringer sein, was die Bearbeitung dünnwendiger Werkstücke möglich macht. Der Werkzeugstandweg wird gerin­ger. Der Wärmeintrag im Werkstück bzw. die Werkstücktemperatur nimmt ab, da die Schnittge­schwindigkeit größer als die Wärmeleitgeschwindigkeit ist und die Wärme im Span bleibt. Dadurch wird ein Verzug des Werkstückes durch Erwärmung verhindert.[17]

3.3 Geschichte

Salomon entdeckte bereits 1931 die Vorteile, die sich beim Spanen mit hoher Schnittgeschwindigkeit ergeben. In dem deutschen Patent Nr. 523 594 [84] (siehe Anhang) beschrieb er, dass nach dem Er­reichen eines Scheitelpunktes, bei parabelförmigem Anstieg de r Schnitttemperatur mit steigender Schnittgeschwindigkeit, die Temperatur trotz weiterem Anstieg der Schnittgeschwindigkeit wieder zurückgeht. Die Richtigkeit dieser Theorie durch einen experimentellen Nachweis wurde zu dieser Zeit noch nicht gegeben. Erst im Jahre 1956 wurde in der USA bei Lockheed durch Kronenberg und etwas später in der damaligen Sowjetunion im Grundsatz die Theorie von Salomon bestätigt. Kro­nenberg experimentierte bei der Stahlbearbeitung mit Geschwindigkeiten zwischen 40.000 und 50.000 m/min. Die Schnittgeschwindigkeiten konnten nur mit translatorischer Schnittrichtung reali­siert werden, da es sich im Allgemeinen um Geschossgeschwindigkeiten handelte. Durch die ultraho­hen Schnittgeschwindigkeiten (bis 60.000m/min) konnten mehrere wichtige Ergebnisse gewonnen werden. Die Werkzeuge hielten der hohen Schnittgeschwindigkeit stand und der Verschleiß des Werkzeuges war minimal. Die Oberfläche war qualitativ sehr gut und die Spanungsvolumina erreich­ten Größen, die bis zu 240-mal größer waren im Vergleich zu den heutigen Werten.[18]

3.4 Anwendungsgebiet

Die HSC- Technologie wird vor allem dort eingesetzt, wo hohe Anforderungen an Zerspanungsleis­tung und Oberflächenqualität gefordert werden. Typische Anwendungsgebiete sind der Flugzeugbau beim Fräsen von Hohlraumformen (Formwerkzeuge aus Werkzeugstahl, Gesenke), der Werkzeug- und Formbau und die Bearbeitung von empfindlichen Werkstückkonturen und Werkzeugen.[19] Ver- schiedene Werkstoffe lassen sich hinsichtlich statischer Verformungen und Schwingungen aufgrund ihrer unstabilen Bauweise nicht mit konventionellen Maschinen bzw. Schnittbedingungen bearbei­ten. Hier kann man zum Beispiel Teile aus Aluminium mit dünnwandigen Stegen oder verschiedene Werkstoffe wie zum Beispiel Graphit dazu zählen. Aluminium Stege verformen sich durch die hohen Bearbeitungskräfte und das Graphit bricht aufgrund seiner Sprödheit bei der Bearbeitung mit niedri­ger Spindeldrehzahl aus.[20] Im Folgenden sind die typischen Anwendungsbereiche der HSC- Bearbeitung zusammengefasst:[21]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

[...]


[1] (wikipedia, Härte, modifiziert:2011)

[2] Vgl. (Scheja, 2010, S. 4)

[3] Vgl. (Röders, 2010)

[4] (König & Klocke, 2002, S. 337)

[5] (Witec Präzissionstechnik, 2010)

[6] Vgl. (urbschat tools, 2011)

[7] Vgl. (Director Referate)

[8] (Jacobs, 2006, S. 30)

[9] Vgl. (Awiszus & Bast, 2007, S. 151)

[10] Vgl. (Metall-Technik-Werkzeug, 2009)

[11] (Tschätsch & Dietrich, Praxis der Zerspantechnik: Verfahren, Werkzeuge, Berechnung, 2008, S. 302)

[12] Vgl. (Hipp, 2002, S. 538) und (Gsänger, 2001, S. 2)

[13] (Tschätsch, Werkzeugmaschinen der spanlosen und spanenden Formgebung, 2003, S. 231-232)

[14] (Kief & Roschiwal, 2007, S. 118)

[15] (Tschätsch & Dietrich, Praxis der Zerspantechnik: Verfahren, Werkzeuge, Berechnung, 2008, S. 303)

[16] Vgl. (Degner, Lutze, & Smejkal, 2009, S. 149)

[17] Vgl. (Degner, Lutze, & Smejkal, 2009, S. 147-148) und (aerotec, 2010)

[18] Vgl. (Degner, Lutze, & Smejkal, 2009, S. 144-145)

[19] Vgl. (Tschätsch, 2003, S. 231)

[20] Vgl. (Kief & Roschiwal, 2007, S. 120)

[21] (Tschätsch & Dietrich, Praxis der Zerspantechnik: Verfahren, Werkzeuge, Berechnung, 2008, S. 303)

Ende der Leseprobe aus 40 Seiten

Details

Titel
High Speed Cutting - Fräsen
Hochschule
Hochschule für Technik und Wirtschaft des Saarlandes
Note
2,0
Autor
Jahr
2011
Seiten
40
Katalognummer
V176776
ISBN (eBook)
9783640982899
ISBN (Buch)
9783640983216
Dateigröße
1645 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Technologiemanagement
Schlagworte
high, speed, cutting, fräsen
Arbeit zitieren
Marina Reiter (Autor), 2011, High Speed Cutting - Fräsen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/176776

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