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HSC-Fräsen (High Speed Cutting) - mit Hochgeschwindigkeit zum Erfolg

HSC-Fräsen, also das Fräsen mit hoher Geschwindigkeit stellt ein besonders großes Potential in der CNC-Bearbeitung dar da es geringere Durchlaufzeiten, steigende Produktivität und dennoch hohe Qualität verspricht. In diesem Beitrag beschäftigen wir uns etwas näher mit der HSC-Fräsbearbeitung und klären folgenden Fragestellungen:

Herausforderungen beim HSC-Fräsen

Eines der größten Probleme beim HSC-Fräsen ist das Auftreten von Vibrationen. Wie kommen diese zustande? Da jedes System (Welle,Träger), das schwingungsfähig ist, eine Eigenfrequenz hat, schwingt dieses bei einer Anregung (Stoß, Auslenkung) so lange weiter, bis es durch Dämpfungsverlust (Stimmgabel) oder einer momentan gleich großen negativ gerichteten Frequenz zum Stillstand kommt. Wenn jedoch von außen in gleichmäßigen Abständen eine Anregung erfolgt und diese Anregerfrequenz auch noch in ungefähr dem gleichen Frequenzbereich der Eigenschwingung des Systems liegt, überlagern sich diese beiden Frequenzen. Man spricht dann vom Resonanzfall → Das System beginnt sich aufzuschwingen (vibrieren).

Was sind die Folgen der Vibrationen beim Fräsen?

  •  Bearbeitungstiefe ap bleibt nicht konstant → schlechte, wellige Oberfläche
  •  keine konstante Maßhaltigkeit
  •  erhebliche Standzeitverkürzung
  •  Ausbruch der Schneidkanten
  •  eventuelles Lösen der Werkstückspannung
  •  starke Belastung der Maschinenführungen sowie -lager

Vorteile der HSC-Bearbeitung

  • durch sehr großes Zerspanungsvolumen kein Schruppen mehr erforderlich
  • sehr gute Oberfläche < 0,001 mm (Ra) → Schleifqualität
  • Hauptzeitreduzierung bis zu 50%
  • schwingungsfreie Bearbeitung infolge hoher Eigenfrequenz des Werkzeuges → Ausschluss von Vibrationen
  • kein Werkstückverzug durch Wärmespannungen, da Wärme mit Span abgeführt wird
  • sehr kostengünstig

Schnittgeschwindigkeitsbereiche sind werkstoffabhängig

faserverstärkter Kunststoff

Aluminium

Bronze, Messing

Guss

Titanlegierungen

Nickelbasislegierungen

  1. Konventioneller Bereich
  2. Übergangsbereich
  3. HSC-Bereich

Maximale Betriebszahlen zur Minimierung von Gefahren

* Werkzeugdurchmesser in mm

  1. nach GW
  2. nach EN ISO 15641

Zerspanungstemperatur

weiches Alu

Nichteisen

Bronze

Gusseisen

Stahl

Das Abführen der Tempertur mit dem Span ist ein primäres Problem bei der HSC-Bearbeitung. Im oben abgebildeten Diagramm ist das Temperaturverhalten einzelner Werkstoffe beschrieben. 

Ermittlung der optimalen Schnittparameter beim HSC Fräsen

In unserem Versuch steigt bei einer Schnittgeschwindigkeit von ca. 600 m / min der Verschleiß sprunghaft an. Die obere Grenze ist nach dieser Versuchsreihe für Radiusfräser mit Z=2 und Z=4 eine Schnittgeschwindigkeit von 580 m / min.

Die Wahl der Schnittbreite beim HSC-Fräsen trägt ganz entscheidend zur längeren Standzeit bei. Beim HSC-Fräsen zeigt sich, dass es besser ist, mit kleiner Zustellung zu arbeiten, als ähnlich dem Schruppfräsen möglichst große Abtragsleistung erreichen zu wollen. Diese wird nicht durch die Zustellung, sondern durch die maximal erreichbare Schnittgeschwindigkeit erzielt.

Amortisation - Lohnt sich die Anschaffung einer Maschine mit Hochfrequenzspindel?

Ein Amortisationsvergleich zeigt, dass trotz höherer Anschaffungskosten einer Fräsmaschine mit Hochfrequenzspindel die Bearbeitung wesentlich billiger ist, da wirtschaftlicher.

Gerade Kleinbetriebe, die auf eine flexible Fertigung mittlerer Werkstückgrößen ausgerichtet sind, können große Vorteile bei der HSC-Bearbeitung erzielen. Bei einer durchschnittlichen Zeiteinsparung von 50% führt es auch zu einer Fertigungskosteneinsparung von ca. 25%–27%.

Beachtenswertes zum Thema HSC-Fräsen

Der Begriff HSC-Fräsen oder auch -Bohren muss sicherlich werkstoffbezogen definiert werden. Es ist einleuchtend, dass der HSC-Bereich bei Aluminium in einem anderen Schnittgeschwindigkeitsbereich liegen muss als z.B. für Stähle oder Sonderwerkstoffe. Die Eingrenzung der Schnittgeschwindigkeit ist hier mit dem konventionellen Fräsen zu vergleichen.

Es ist festzustellen, dass bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit die Schnittkräfte erst stark abnehmen, um dann wieder stark anzusteigen.

Es ist auch zu bemerken, dass bei ultrahohen Schnittgeschwindigkeiten von ca. 130.000m / min der Verschleiß überproportional zunimmt. Bleibt man jedoch im Schnittgeschwindigkeitsbereich bis ca. 5000m / min nimmt der Freiflächenverschleiß werkstoffabhängig anfänglich stark zu, um dann eine Zeit lang konstant zu bleiben.

Bemerkenswert ist ebenso, dass bei steigender Schnittgeschwindigkeit die Passivkraft (Reaktionskraft zur Fräserkraft) bis zu 70% verringert werden kann. Dies hat besondere Bewandtnis bei extrem dünnwandigen Profilen sowie zur Erzielung einer schleifähnlichen Oberfläche.

Bei der Aluminiumbearbeitung stellt sich heraus, dass das spezifische Zerspanungsvolumen bei Schnittgeschwindigkeiten von 3100 bis 4700 m / min ein Maximum aufweist. Das um ca. 35% gesteigerte Zerspanungsvolumen brachte zusätzlich noch eine Oberfläche mit Mittenrauhwert von 1μm. Optimalwerte sind jedoch stark legierungsabhängig.

Das richtige Werkzeug zum jeweiligen Werkstoff beim HSC Fräsen

HSC-Fräsen von Aluminium

Bei der Aluminiumbearbeitung ist ein spiralisiertes Werkzeug mit großen Spankammern notwendig. Hier erweist sich ein 2-Schneider mit ca. 45° Spiralsteigung von Vorteil. Das Werkzeug sollte einen Spanwinkel von 15°–20° und einen Seitenfreiwinkel von 10°–12° aufweisen. Wird eine Maschine mit geringerer Spindelleistung, kleinen Vorschüben oder tiefen Nuten eingesetzt, so ist ein einschneidiges spiralisiertes Werkzeug zu bevorzugen. Bei einer durchschnittlichen Schnittgeschwindgkeit von ca. 2000m / min ist ein Standweg von 500m leicht erreichbar.

HSC-Fräsen von Kupfer

Bei der Bearbeitung von Kupfer und Kupferlegierungen sind dieselben Werkzeuge wie bei der Aluminiumzerspanung einzusetzen. Die Vorschubswerte pro Zahn liegen je nach Legierungszusammensetzung zwischen 0,02 bis 0,4mm.

Reinkupfer sollte nur mit feinstgeschliffener Werkzeugschneide zur Verhinderung der Aufbauschneide gefräst werden.
Das Gleichlauffräsen ist in diesem Fall dem Gegenlauffräsen vorzuziehen. Hier ist der Einsatz von keramischen Werkzeugen jedoch von Vorteil, da bis zu 10-fach höhere Schnittgeschwindigkeiten gefahren werden können.

Faserverstärkte Kunststoffe

Bei der Zerspanung von faserverstärkten Kunststoffen ist die HSC-Bearbeitung besonders gut geeignet, weil bei steigender Schnittgeschwindigkeit die Schnittkräfte stark abnehmen und mit hohen Vorschubswerten der Randzonenelamination entgegengewirkt wird. Durch das Abführen der Zerspanungsenergie mit dem Span unterliegt das Grundmaterial einer minimalen thermischen Belastung.

CFK und GFK-Werkstoffe

Es sollte möglichst im Gegenlauffräsen und gegen die Faser und nicht parallel zur Faser bearbeitet werden. Befriedigende bis gute Ergebnisse liefern jedoch nur polykristaline Diamantwerkzeuge. Der optimale Zerspanungsbereich liegt bei ca. vc = 4500 m / min und vf bis 30 m / min. Das Werkzeug sollte einen Spanwinkel von ca. 5° und einen Seitenfreiwinkel von 10° aufweisen.

AFK-Werkstoffe

Da hier kraftleitende Fasern durchtrennt werden müssen, sind scharfe Werkzeugschneiden und eine ähnliche Geometrie wie bei der Leichtmetallbearbeitung zu bevorzugen. Die besten Ergebnisse liefern Werkzeuge, die in der ISO-Gruppe K eingestuft werden können. Der optimale Zerspanungsbereich liegt bei einer Schnittgeschwindigkeit von 2000 m / min bis 3000m / min und einer Vorschubsgeschwindigkeit von
10m / min bis 15m / min.

Stahl

Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen von Stahl sind mit einer Schnittgeschwindigkeit von 750m / min Standwege von
20–25 m erreichbar. Schnittgeschwindigkeitsbereiche von 500m / min bis 1500m / min sind mit VHM-Fräsern der ISO Klasse P durchaus realisierbar. Besonders im Formen- und Werkzeugbau, wo komplizierte Formen im Zeilenfräsverfahren meist mit kugelförmiger Schneidgeometrie hergestellt werden, hat sich das HSC-Fräsen bewährt.

Hier können durch hohe Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten enorme Zeit- und Oberflächenqualitätsverbesserungen erzielt werden. Es hat sich gezeigt, dass bei gleichbleibendem Spanwinkel (0°) mit größer werdendem Seitenfreiwinkel und einer Zunahme des Vorschubes eine Verbesserung des Standweges erreicht wird.

Der optimale Seitenfreiwinkel hat sich bei ca. 12°–20° ein gependelt. Geradegenutete Werkzeuge, die vor bzw. über Mitte schneidend sind, haben sich beim Werkzeug- und Formenbau aus Stabilitätsgründen als optimal erwiesen. Es sind Vorschübe von 0,3 bis 0,7mm, Gleichlauffräsen sowie
Trockenschnitt anzustreben, wobei die Schnittgeschwindigkeit zwischen 500 m / min und 1500 m / min liegen sollte.

Guss

Die Bearbeitung von Gusseisen ist mit VHM-Werkzeugen, deren Spanwinkel von 0° bis 6° und deren Seitenfreiwinkel 12° betragen sollte, möglich. Die Beschichtung der Werkzeuge ist zwingend notwendig. Hier ist darauf zu achten, dass die Kamm- und Querrissbildung der Schicht mittels weichem Ein- und Austritt in bzw. aus dem Werkstoff möglichst klein gehalten wird.

Bei Schnittgeschwindigkeiten von 1000 m / min kann das Zeitspanvolumen z.B. bei GG 25 um den Faktor 10 gesteigert werden. Die Standzeit liegt etwa bei 20m pro Schneide und die Oberfläche entspricht Schleifqualität. Die Standzeit kann erhöht werden, wenn der Vorschub relativ hoch, d.h. Vorschub pro Zahn ca. 0,3 bis 0,4 mm gewählt wird.

Grafit

Bei der Graphitbearbeitung sind nicht nur die geringen Schnittkräfte, sondern auch das mehlförmige Spanmaterial von Vorteil. Das Spanmaterial sollte möglichst rasch und vollständig aus dem Zerspanungsvorgang herausgenommen werden, da die Standzeit wesentlich von der Ausbringung des Spanmehls abhängt. Um dem Schmirgeleffekt entgegenzuwirken, werden unsere Graphitfräser diamantbeschichtet.

Diese ultraharte Schicht wirkt dem abrasiven Verschleiß optimal entgegen, was wiederum zur Standzeitverlängerung führt. Um die Spanabfuhr zu verbessern, sollte im Gleichlauffräsen zerspant werden.

HSC vs. konventionelles Fräsen

Beispiel

  HSC-Fräsen
(rot)
Konventionelles Fräsen (grün)
Werkzeug VHM, 2 Zähne Ø 3,0 mm
Aufgabe Nute 3 mm x 700 mm x 6 mm
Schnittanzahl 3 3
Vorschub
je Zahn (mm)
0,03 0,03
Drehzahl (U/min) 80.000 5.000
Schnittgeschwindigkeit 753 47
Vorschubgeschwindigkeit
(mm/min)
4.800 300
Standzeit (m) 25 37
Hauptzeit (s) 25,8 421,8