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Viel zerspanen in kurzer Zeit mit konventionellen Maschinen

26.08.2008
In der Hochleistungszerspanung (High-Performance-Cutting, HPC) lassen sich selbst mit konventionellen Maschinen ohne großen Aufwand erhebliche Steigerungen beim Zeitspanvolumen erzielen. Mit spezialisierten Werkzeugen und Werkzeughaltern können Anwender dafür sorgen, dass die höhere Leistung nicht auf Kosten der Qualität, der Standzeiten oder der Maschine erreicht wird.

Bei der Hochleistungszerspanung müssen Werkzeughalter ihren Mann stehen und zugleich jede Menge wegstecken. Reine Kraftprotze schaffen zwar locker das gewünschte Spanvolumen, ziehen jedoch oft genug die Werkzeugschneiden, die Maschinenspindel und die Werkstückoberflächen in Mitleidenschaft.

Deutlich besser fahren Anwender mit robusten Präzisionswerkzeughaltern, die zusätzlich zur Kraft auch eine ordentliche Portion Cleverness mitbringen. Neben perfektem Rundlauf sind eine hohe Steifigkeit und eine möglichst ausgeprägte Schwingungsdämpfung gefragt. So lassen sich bei minimalem Werkzeugverschleiß hohe Zeitspanvolumina und brillante Oberflächen erzielen.

Das Hauptziel ist eine maximale Produktivität

Verglichen mit herkömmlichen Zerspanungsverfahren werden die Werkstücke beim Hochleistungszerspanen mit höheren Schnittgeschwindigkeiten, größerer Zustellung und größerem Vorschub bearbeitet. Das Ziel ist ein hohes Zeitspanvolumen. Verglichen mit dem reinen High-Speed-Cutting (HSC), also der Zerspanung bei hoher Schnittgeschwindigkeit, weist das HPC meist langsamere Schnittgeschwindigkeiten und dafür deutlich größerer Schnitttiefen auf. Außer dem reinen Zerspanprozess werden beim HPC meist auch alle anderen an der Produktion beteiligten Faktoren eingebunden. Das Ziel ist es, maximale Produktivität und Prozesssicherheit zu gewährleistet.

Wichtig sind Steifigkeit und Schwingungsdämpfung

Aufgrund der hohen Vorschübe steigen beim HPC die Bearbeitungskräfte und damit die Belastung von Maschinen und Werkzeug. Das komplette System aus Spindelkasten, Spindel, Werkzeughalter, Werkzeug und Werkstück verhält sich wie eine Kette, die nur so stark sein kann wie ihr schwächstes Glied. Grundsätzlich ist deshalb für das komplette System eine möglichst hohe Steifigkeit anzustreben. Um schädliche Schwingungen während der Bearbeitung zu vermeiden, werden Komponenten mit einer geringen Masse und mit möglichst kurzen Biegearmen eingesetzt.

Mit steifen, leichten sowie rundlaufgenauen Werkzeugen können auch konventionelle Werkzeugmaschinen zum HPC eingesetzt werden. Der enormen Wechselbelastung der Schneide halten speziell auf das Verfahren abgestimmte Schneidstoffe stand, die aus Hartmetall, Cermet oder kubischem Bornitrid bestehen, beschichtet und teilweise zur Bruchsicherheit faserverstärkt ausgeführt sind.

Deutliche Unterschiede zwischen Präzisionswerkzeughaltern

Neben der Eignung des Werkzeugs sind die Funktion und das technische Innenleben der Werkzeughalter entscheidend für den Erfolg von HPC-Anwendungen. Beim stirnseitigen Abmanteln treten zum einen hohe radiale Kräfte auf, die das System Werkzeughalter und Werkzeug zum Auslenken bringen können. Das Auslenkverhalten wird bestimmt durch die Bauweise des Werkzeughalters, durch die Auskraglänge des Systems aus Werkzeughalter und Werkzeug sowie durch die Zerspanparameter. Zudem versuchen die axialen Auszugskräfte, das Werkzeug aus dem Werkzeughalter herauszuziehen.

Je höher der Drallwinkel an der Werkzeugschneide umso größer ist diese axial wirkende Kraft. In Versuchen zeigt sich, dass es beim HPC erhebliche Unterschiede zwischen einzelnen Präzisionswerkzeughaltersystemen gibt. Deutliche Vorteile bringen auf HPC spezialisierte Werkzeughaltersysteme, die über eine hohe Steifigkeit und eine hohe Schwingungsdämpfung verfügen. Dabei können diese Eigenschaften auf unterschiedlichem Weg erzeugt werden.

High-End-Elastomer spannt und dämpft zugleich

Beim preisattraktiven Universalspannfutter Sino-R des Lauffener Greif- und Spanntechnikspezialisten Schunk kommt als Druckmedium ein High-End-Elastomer zum Einsatz. Die ausgesprochen wirkungsvolle Schwingungsdämpfung bei diesem System sorgt für einen gleichmäßigen Schneideneingriff und für eine verbesserte Oberflächenqualität. Mikroausbrüche an der oft teuren Werkzeugschneide werden auf diese Weise deutlich vermindert. Das komplette System von der Spindel bis zum Maschinentisch wird geschont.

Aufgrund der langen Werkzeugstandzeiten ist Sino-R eine höchst effektive Kostenbremse, so Schunk, denn sie reduzieren spürbar die laufenden Werkzeugkosten. Hinzu kommt, dass Sino-R Werkzeughalter ohne teure Peripheriegeräte schnell, einfach und sicher über einen Rollenspann- oder Hakenschlüssel gespannt werden. Das senkt gegenüber anderen Spannsystemen die Rüstkosten. Sino-R hält selbst bei höchsten Radialkräften das Werkzeug sicher auf Kurs. So können mit einem Durchmesser von 32 mm Drehmomente bis zu 850 Nm übertragen werden. Mit Zwischenbüchsen werden Spannbereiche von 3 bis 32 mm abgedeckt.

Stabile Fachwerkstruktur und Dämpfer aus Kupferlegierung

Speziell für die Anforderungen der kräftigen Zerspanung hat Schunk den Präzisionswerkzeughalter Tribos-R ausgelegt. Wie erläutert wird, bieten die Werkzeughalter dieser Baureihe einen wesentlich verstärkten Grundkörper zur Aufnahme hoher radialer Kräfte wie sie in der Schwerzerspanung auftreten. Das Futter basiert auf einer fachwerkartigen Kammerbauweise. Verglichen mit einem massiven Aufbau, hat die Fachwerkbauweise bei gleichem Gewicht ein wesentlich höheres Widerstandsmoment. Im Grundkörper sind Gusseinsätze aus einer Kupferlegierung eingesetzt. Die Stirnfläche wird dadurch sehr widerstandsfähig gegen aufprallende Späne.

Exzellente Schwingungsdämpfung

Die kupferlegierten Einsätze sorgen zudem für eine exzellente Schwingungsdämpfung, die rund viermal so hoch ist wie bei Warmschrumpffuttern. Damit werden eine wesentlich ruhigerer Bearbeitung, eine bessere Oberflächenqualität und höherer Werkzeugstandzeiten erzielt.

Die Überlegenheit von Tribos-R in punkto Schwingungsdämpfung zeigt sich auch in unabhängigen Versuchen deutlich, wird hervorgehoben. Vergleichsuntersuchungen beim Arbeitskreis HSC-Spannfutter II, die von der Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung e.V. in Schmalkalden durchgeführt wurden, führten zu folgender Aussage: „Bei den Eigenfrequenzen stellen die Tribos-R Spannfutter den Grenzwert nach oben dar. Das heißt, sie haben die geringste Neigung zum Rattern beziehungsweise zum Vibrieren.“

Prozesssichere und kräftige Werkzeugspannung

Tribos-R ermöglicht eine prozesssichere und kräftige Werkzeugspannung. So lassen sich eine hohe Zustellung und damit ein hohes Zerspanvolumen erreichen - letztlich ein gewaltiger Kostenvorteil. Der steife Grundkörper, kombiniert mit einer Rundlaufgenauigkeit

Minimaler Wuchtaufwand, verschleißfreie Spannung und einfachstes Handling kommen hinzu. Zudem ist die Längeneinstellung in der Spannvorrichtung wesentlich einfacher als beim Warmschrumpfen. Tribos-R gibt es für Spannbereiche von 3 bis 32 mm und für Drehzahlen bis 55000 min—1.

Ölgespanntes Kraftpaket schluckt Schwingungen

Ganz neu auf dem Markt ist das extrem kurze Hydro-Dehnspannfutter Tendo-ES von Schunk. Die Werkzeugspannung erfolgt direkt im Aufnahmekegel. So wird der Werkzeugschaft über die Spindel abgestützt. Mit einem L1-Maß von 26,0 mm ist das Futter extrem kurz. Das Resultat sind höchste Haltekräfte zur Übertragung hoher Drehmomente und viel zusätzlicher Platz im Maschinenraum.

Der innovative Präzisionswerkzeughalter Tendo-ES verfügt über einen Rundlauf

Drehmoment bis zu 3000 Nm übertragen

Das Fräserspannfutter Mega Double Power Chuck des japanischen Hersteller Big Daishowa überzeugt mit extrem hohen übertragbaren Drehmomenten und hervorragender Schwingungsdämpfung. Verglichen mit herkömmlichen Rollenspannfuttern weist es laut Schunk eine mehr als doppelt so große Wandstärke auf und erzielt damit eine enorme Stabilität und Vibrationsfestigkeit. Mit einem Rollenspanschlüssel sind die Werkzeuge in Sekundenschnelle gewechselt.

Wie erläutert wird, ist die nutenfreie Spannmutter rotationssymmetrisch ausgeführt und verhindert so auch bei hohen Drehzahlen Schwingungen. Das präzisionsgeschliffene Futter verfügt über eine hohe Rundlaufgenauigkeit

Big-Plus-Steilkegelprinzip steigert Steifigkeit

Das Big-Plus-Spindelsystem verringert den standardmäßigen Abstand zwischen Werkzeugflansch und Maschinenspindel bis zur Plananlage und verleiht somit der Schnittstelle eine erhöhte Radialsteifigkeit. Diese hochgenaue Verbindung zwischen Spindel und Werkzeughalter wird zum einen durch speziell geschliffenen Werkzeughalter und Maschinenspindeln erreicht, zum anderen durch eine geringe Dehnung des Spindelkolbens während das Werkzeug eingezogen wird.

Aufgrund des Stirnflächenkontakts ergibt sich beim Big-Plus-System ein größerer Referenzdurchmesser. Dieser erhöht die Bearbeitungsgenauigkeit, die Vibrationsfestigkeit und damit die Standzeiten der Werkzeugschneiden. Standardmäßig sind alle Big-Mega-Aufnahmen mit SK- und JIS-BT-Schnittstelle bereits mit der Big-Plus-Plananlage ausgestattet. Auf dem kompatiblen Big-Plus-System können sowohl Big-Plus- als auch Standardwerkzeuge eingesetzt werden.

Bernhard Kuttkat | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/141655/

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