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ISCARs STARKE WERKZEUGE FÜR DIE GROßTEILFERTIGUNG

 

Eigentlich geht es bei der Bearbeitung großer Bauteile um den gleichen Zerspan- und Spanbildungsprozess wie bei kleinen oder mittelgroßen Werkstücken. Große Abmessungen verlangen jedoch ein spezifisches Bearbeitungskonzept. Hersteller müssen technologische Prozesse planen und effektivere Schneidwerkzeuge wählen, um schwere Teile zu fertigen, die auch viel Platz in Anspruch nehmen.

Der Transport eines Bauteils innerhalb einer Fertigungshalle, seine Montage in einer Werkzeugmaschine, das richtige Spannen sowie der Maschinenaufbau sind große Herausforderungen. Umgang mit massiven und großen Teilen ist keine leichte Aufgabe und man benötigt häufig Lösungen, die nicht standardmäßig sind. Bei der Bearbeitung großer Teile wird eine Menge Material abgetragen, was aufgrund zu hoher Material-beanspruchung zu erheblichen Verformungen führen kann. Ein weiterer Faktor, der zu Problemen mit der Maßgenauigkeit führen kann, ist die während der Zerspanung durch die Wärmeerzeugung verursachte Wärmeausdehnung: Die großen Abmaße machen den Zerspanprozess im Vergleich zu "normalen" Werkstücken viel anfälliger. Muss viel Material abgetragen werden, muss auch eine entsprechende Spanevakuierung gegeben sein, um ein Nachschneiden der Späne zu verhindern, was sich ansonsten negativ auf die eingesetzten Zerspanwerkzeuge auswirken würde.

Der Schlüssel zur Überwindung der Schwierigkeiten liegt in der Technologie, basierend auf effektiver Prozessplanung, den geeigneten Werkzeugmaschinen, optimaler Aufspannung und minimaler Umplatzierung des Bauteils. Absolut ideal für die Bearbeitung eines Großteils ist die Durchführung in einem Setup. Hersteller aus Bereichen wie Energieerzeugung, Luft- und Raumfahrt, Eisenbahn-, Werkzeug- und Formenbau sowie Schwerindustrie sind bemüht, sich diesem Ideal zu nähern. Zerspanungswerkzeuge spielen dabei eine wichtige Rolle.

Ein besonderes Merkmal dieser Industrien ist der immense Verbrauch von großen, meist auswechselbaren Werkzeugen für die Schwerzerspanung, die für das produktive Abtragen großer Materialmengen, insbesondere für Schrupp- und Vorschruppbearbeitungen, vorgesehen sind.

Fertiger von großen Bauteilen erwarten das Gleiche von Schneidwerkzeugen wie jeder andere Anwender von Zerspanungstechnologien: ausgezeichnete Performance, gute Standzeit und hohe Zuverlässigkeit. Die beiden letztgenannten sind besonders wichtig, weil die großen Größen zu einer längeren Bearbeitungszeit führen. Ein verschlissenes Werkzeug in der Mitte eines Schnitts zu ersetzen und unvorhersehbarer Bruch des Werkzeugs während der Zerspanung sind völlig inakzeptabel. Um den Anforderungen von Großteil-herstellern maximal gerecht zu werden, bieten Hersteller von Zerspanungswerkzeugen verschiedene Lösungen, die sowohl auf Standard- als auch auf Sonderausführungen beruhen. Durch jahrelanges Know-how hat ISCAR bei der Entwicklung effizienter Lösungen, um diese Herausforderungen zu meistern, die Nase vorn.

„Schweres“ Planfräsen
Ein großes Bauteil ohne Planfräser zu bearbeiten ist problematisch. Für die Schrupp- und Feinbearbeitung freier und begrenzter Oberflächen sowie die Vorbereitung von Bezugsflächen benötigt man verschiedene auswechselbare Planfräswerkzeuge. Standard-Planfräser von ISCAR haben Nenndurchmesser bis zu 315 mm, während spezielle, maßgeschneiderte Werkzeuge höhere Abmessungen aufweisen können. Die in Planfräsern montierten Wendeschneidplatten variieren in der Schneidengeometrie, da sie für die Bearbeitung verschiedener Werkstoffgruppen bestimmt sind. Das Abtragen einer beträchtlichen Materialmenge durch Fräsen ist in erster Linie ein Thema bei der Fertigung von Großteilen aus Stahl und Gusseisen, teilweise aus Titan und Aluminium.

ISCARs Standard-Planfräser umfassen viele Werkzeuglinien für die Großteilfertigung. HELITANG T465 bietet Fräser mit einem 65°-Anstellwinkel und tangential geklemmte Wendeschneidplatten. Das robuste Design ermöglicht eine produktive Bearbeitung mit einer Schnitttiefe von bis zu 19 mm. Die HELIDO 890-Linie verfügt über 88°-Planfräser mit doppelseitigen Wendeschneidplatten (Abb. 1).

Diese effizienten Fräser, für das Fräsen einer Fläche nahe Schultern wirklich unverzichtbar, bieten einen bedeutenden wirtschaftlichen Vorteil: Die quadratischen Wendeschneidplatten haben 8 nutzbare Schneidkanten für eine Schnitttiefe bis zu 9 mm.

Verlängerte Spannut ist gleich verlängerter Effekt
Wendelschaftfräser mit auswechselbaren Schneiden gelten als Gewinnerwerkzeuge für produktives Schruppfräsen. Bei der Fertigung von Großteilen zeichnen sie sich durch die Bearbeitung tiefer Schultern und Kavitäten aus. Wendelschaftfräser werden auch für das sogenannte "Edging" - dem Fräsen von breiten, geraden Kanten aber auch bei der Bearbeitung von Konturen eingesetzt.

ISCARs Linie für Wendelschaftfräser variiert in der Designkonfiguration mit verschiedenen Schaft- und Aufnahmetypen sowie einem radialen oder tangentialen Wendeschneidplatten-Klemmprinzip. Diese Werkzeuge arbeiten unter harten Schnittbedingungen und sind einer erheblichen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt. Für das Abtragen von großen Materialmengen ist eine entsprechende Spanformergeometrie nötig, um eine effektive Spanabfuhr sicherzustellen. Durch die Anwendung von ISCARs Wendelschaftfräsern - bestückt mit Wendeschneidplatten mit Spanteilergeometrie, um kurze Späne zu erzeugen - können die Zerspanungsergebnisse dramatisch verbessert werden. Schnittkräfte, Vibrationen und thermische Probleme werden dadurch reduziert.

Obwohl 90°-Werkzeuge die am häufigsten verwendeten Fräser sind, kommt bei der Bearbeitung von Großteilen auch das Schruppen von geneigten und 3D-Oberflächen vor. Dafür wartet ISCAR mit Wendeplatten-Fräswerkzeugen in Konischer Ausführung auf (Anstellwinkel 22,5°- 75°). In einigen Fällen, insbesondere im Werkzeug- und Formenbau, ist kombiniertes Schrupp- und Schulterfräsen notwendig. DROPMILL 3-Kugelkopffräser wurden speziell für solche Anwendungen entwickelt.

Die Fertigung von großformatigen Luft- und Raumfahrtkomponenten aus schwer zerspanbaren Titanlegierungen ist ein extrem metallintensiver Prozess mit einem signifikanten Buy-to-Fly-Verhältnis. Das letztendliche Gewicht eines Bauteils beträgt möglicherweise nur 10 % oder sogar weniger des ursprünglichen Gewichts eines Werkstücks. Die XQUAD-Wendelschaftfräser-Linie, eines der neuesten Produkte von ISCAR, ist für das hocheffiziente Fräsen von tiefen Kavitäten und breiten Kanten in Titanteilen vorgesehen. Diese Werkzeuge (Abb. 2) eignen sich für die Bearbeitung mit Hochdruckkühlung, was die Produktivität deutlich erhöht und die Standzeit verbessert. Die Werkzeuge haben sich bereits bewährt: So haben beispielsweise Anwender mit einem XQUAD-Fräser von Durchmesser 80 mm ein Zeitspanvolumen von 700-1000 cm³/min erreicht.

In der Eisenbahnindustrie werden Kombinationsfräser eingesetzt, um die gleichzeitige Bearbeitung an mehreren Stellen des Bauteils zu ermöglichen. Diese Fräser verfügen über eine verlängerte Schneide, die aus aufeinander folgend montierten Wendeschneidplatten entsteht.

Produktiver Schnellläufer
Die hocheffiziente Zerspanung mit Wendelschaftfräsern und Planfräsern in großen Durchmessern kann mit der Schwerarbeit eines großen Baggers verglichen werden, der mit einer großen Schaufel Sand aushebt. Die mit Sand gefüllte Schaufel, angetrieben von einem leistungsstarken Motor, bewegt langsam eine große Menge an Sand. Als alternative Methode stellen Sie sich einen kompakteren Grabenbagger mit einer sich schnell bewegenden Grabkette vor. Jedes Glied der Kette entfernt zwar ein kleines Sandvolumen, dies geht dafür aber schnell vonstatten. In der Metallzerspanung gibt es dafür Hochvorschubfräser, die bei geringen Schnitttiefen zerspanen, jedoch mit einem Vorschub pro Zahn, der weit höher ist als die üblichen Vorschubraten - Millimeter im Gegensatz zu Zehntel-Millimetern.

Hochvorschubfräser werden hauptsächlich zum Schruppen von Planflächen, Kavitäten und 3D-Oberflächen eingesetzt (Abb. 3). Bei der Bearbeitung von Großteilen aus Stahl und Gusseisen sind diese Werkzeuge am gängigsten, obwohl Hochvorschubfräsen (HFM) von Titan und hoch hitzebeständigen Legierungen heutzutage auch nicht ungewöhnlich ist.

ISCAR bietet eine große Auswahl an Werkzeugen für die Hochvorschubbearbeitung unterschiedlicher Werkstückstoffe und Anwendungen. ISCARs "Welt" der Hochvorschub-Fräser umfasst Werkzeuglinien im Durchmesserbereich von bis zu 160 mm, die den anspruchsvollen Kundenanforderungen gerecht werden.

Hochvorschubfräsen setzt Werkzeugmaschinen mit dementsprechender Dynamik voraus. Hersteller von Großteilen verfügen oft über schwere, leistungsstarke, aber langsame Maschinen, die nicht zum Hochvorschub-Planfräsen geeignet sind. Für diese Kunden entwickelte ISCAR Fräser für den mittleren Vorschubbereich (MF). Im Vergleich zu Hochvorschubfräsern weisen MF-Fräser einen höheren Anstellwinkel auf; sie bewegen sich langsamer, bearbeiten jedoch größere Schnitttiefen und benötigen mehr Maschinenleistung damit sie sich für die Anwendung auf Schwerzerspanungs-Maschinen eignen.

Großteile werden oft aus schwer zerspanbaren Werkstückstoffen wie hartem und hoch verschleißfestem Stahl oder Gusseisen hergestellt. Eine Geschweißte Teilestruktur sowie durch Sprühen oder Laserauftragschweißen reparierte Bauteile erschweren die Bearbeitung zusätzlich. Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSM) behebt diese Probleme. Ursprünglich im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt, wurde Hochgeschwindigkeitsfräsen als produktives Verfahren zum Fräsen von gehärtetem Stahl entwickelt. Dies führte dazu, dass Bauteilumplatzierungen und Montageaufwand reduziert sowie manuelles Nachbehandeln und Polieren minimiert werden konnte. Hochgeschwindigkeitsfräsen charakterisiert sich durch ein Werkzeug mit kleinem Durchmesser, das mit hoher Geschwindigkeit rotiert und Werkstückstoff mit geringer Zustellung abträgt.

Für die HSM-Bearbeitung eignet sich am besten ein Vollhartmetallwerkzeug. ISCARs MULTI-MASTER-Linie mit auswechselbaren Fräsköpfen aus Hartmetall stellt ebenfalls eine praktikable Option dar. ISCARs Linie für Vollhartmetallschaftfräser bietet verschiedene mehrschneidige Werkzeuge mit Durchmessern von bis zu 20 mm, zum Hochgeschwindigkeitsfräsen von Werkstückstoffen in Härten bis 70 HRC. Geringere Werkstückaufmaße durch die Herstellung präziserer Bauteile, z.B. durch Präzisions-Gießen oder -Formen, eröffnen neue Möglichkeiten für das Hochgeschwindigkeitsfräsen.

Auswechselbare Fräsköpfe verändern die Dynamik
In vielen Fällen werden Großteile in kleinen Stückzahlen gefertigt, oft auch individuell. In diesem Kontext ist die Minimierung von Ausfallzeiten einer Werkzeugmaschine von entscheidender Bedeutung. Intelligente Prozessplanung, um die Rüstzeit erheblich zu reduzieren, kann dazu beitragen, dieses Problem zu lösen. Jedes Mal, wenn ein verschlissener Fräser ausgetauscht wird, sind zusätzliche Mess- und CNC-Programmkorrekturen erforderlich, was die Ausfallzeiten erhöht.

ISCARs rotierende Werkzeuge mit auswechselbaren Köpfen - MULTI-MASTER-Fräser und SUMOCHAM-Bohrer (Abb. 4) - ermöglichen eine deutliche Reduzierung der Ausfallzeiten. Die stirnseitige Schnittstelle zwischen Wechselkopf und Werkzeugkörper sorgt dafür, dass die Werkzeugauskragung innerhalb strenger Toleranzgrenzen liegt, was zu einer hohen Wiederholgenauigkeit der kompletten Werkzeugbaugruppe führt. Für das Wechseln eines verschlissenen Fräs- oder Bohrkopfes benötigt man keine zusätzlichen Vorrichtungen, das Werkzeug muss nicht aus der Maschine genommen werden.

Kehrtwende mit Drehfräsen
Drehen, sprich die Bearbeitung eines rotierenden Werkstücks durch ein Fräswerkzeug, ist eine gute Option für die Bearbeitung schwerer Drehteile. Beim Drehen hängt die Schnittgeschwindigkeit von der Rotations-geschwindigkeit ab. Wenn der Hauptantrieb einer Werkzeugmaschine die Rotation großer Massen mit der erforderlichen Geschwindigkeit aufgrund von Einschränkungen der Maschineneigenschaften nicht zulässt, ist die Schnittgeschwindigkeit weit entfernt vom optimalen Bereich, und die Zerspanungsleistung wird gering sein. Drehfräsen ist in dem Fall eine effektive Lösung. Beim Drehen großer exzentrischer Teile, wie z. B. Kurbelwellen, verursachen zentrische Massen der Teile unausgewogene Kräfte, welche die Leistung beeinträchtigen. Drehfräsen kennzeichnet sich durch eine geringe Rotationsgeschwindigkeit eines Werkstücks, was diesen negativen Effekt verhindert (Abb. 5).

Eine Vielzahl von Fräswerkzeugen mit Wendeschneidplatten von ISCAR eignet sich zum Drehfräsen. Der Erfolg ihrer Anwendung hängt von der Fräserpositionierung in Bezug auf das bearbeitete Bauteil, der Auswahl der optimalen Wendeschneidplattengeometrie und der Berechnung der Schnittdaten ab. ISCARs Spezialisten auf diesem Gebiet untersuchten die Drehfräs-Kinematik und entwickelten eine geeignete Methodik für die Definition dieser Parameter.

Zuverlässige Leistung
Die Bearbeitung von Großteilen ist ein zeitaufwändiger Prozess, bei dem die Werkzeuge über einen langen Zeitraum zerspanen, und das bedeutet, dass Werkzeugzuverlässigkeit, Stabilität und vorhersehbarer Verschleiß einen hohen Stellenwert haben. Ein plötzliches Werkzeugversagen kann das Werkstück ernsthaft beschädigen und sogar zum Werkstückausschuss führen. Ein Hersteller von Zerspanungswerkzeugen hat nur eine begrenzte Auswahl an Instrumenten zur Verbesserung der Zuverlässigkeit zur Verfügung, einschließlich innovativem Werkzeugdesign, innovativen Schneidstoffen und technologischer Weiterentwicklung. Die effektive Nutzung dieser Instrumente ist der Schlüssel zu einer erfolgreichen Großteilbearbeitung. Die kürzlich von ISCAR auf dem Markt eingeführte Palette an leistungsfähigen neuen Werkzeugen und Schneidstoffsorten liefert diesen Schlüssel.

Abb. 1


Abb. 2


Abb. 3


Abb. 4


Abb. 5