Modernes Fräsen als Zerspanungsmethode hat seinen Ursprung im späten 18. Jahrhundert und entwickelte sich schnell zu einer der wichtigsten Bearbeitungstechnologien. Heute sind Fräsmaschinen aus den Werkstätten nicht mehr wegzudenken. Das Fräsen ist ein wesentlicher Prozess in der Fertigung.
Außerdem ist er ein integraler Bestandteil der Zerspanungstechnik, der durch die steigenden Anforderungen in der Fertigung vorangetrieben wird. Es gibt jedoch spezifische Aspekte, die die Entwicklung des Fräsens auf einzigartige Weise beeinflussen.
Heute erleben wir deutliche Veränderungen in der Fertigung, die tiefgreifende Auswirkungen auf die Entwicklung der Fräsrichtungen haben. Diese Veränderungen werden durch verschiedene Faktoren vorangetrieben, wie z. B. die zunehmende Genauigkeit der Metallformung durch Präzisions-Feinst-Zerspanung und Präzisionsschmieden, die weit verbreitete Einführung des 3D-Drucks, die zunehmende Verwendung neuer Verbund- und Sinterwerkstoffe. Zusätzlich die Notwendigkeit, die Produktivität bei der Bearbeitung schwer zerspanbarer Superlegierungen und Titanqualitäten zu erhöhen, ebenso wie die starke Konzentration auf Elektro- und Hybridfahrzeuge in der Automobilindustrie, die zu diesen Veränderungen beitragen. Darüber hinaus haben die Fortschritte bei mehrachsigen Werkzeugmaschinen neue Möglichkeiten für die präzise Bearbeitung komplexer Teile eröffnet und die Umsetzung neuer Zerspanungsstrategien zur Steigerung der Produktivität geführt. In modernen technologischen Prozessen besteht die Tendenz, die Menge für das vorgesehene Rohmaterial der Fräsbearbeitung deutlich zu reduzieren. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Oberflächengüte und die Genauigkeit.
Der Fortschritt in der Fräsbearbeitung wird daher durch den Bedarf an höherer Produktivität, größerer Präzision und Nachhaltigkeit vorangetrieben. Dementsprechend können die wichtigsten Entwicklungen beim Fräsen wie folgt charakterisiert werden:
- 1. Bei der Hochgeschwindigkeits-Zerspanung liegt der Schwerpunkt auf der Steigerung des Zeitspanvolumens (MRR), um eine höhere Produktivität durch eine deutliche Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit oder des Vorschubs pro Zahn zu erreichen. Dies wird durch Techniken wie Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSM) und, bei Schruppbearbeitungen, Hochvorschubfräsen (HFM) erreicht.
- 2. Das Präzisionsfräsen bietet eine höhere Genauigkeit bei Fräsarbeiten.
- 3. Das mehrachsige Fräsen zeichnet sich durch den Einsatz von mehrachsigen Bearbeitungszentren aus, die komplexe Fräsarbeiten ermöglichen.
- 4. Adaptives Fräsen zielt darauf ab, intelligente Frässysteme zu entwickeln, die sich an veränderte Bedingungen während des Bearbeitungsprozesses anpassen können.
- 5. Nachhaltiges Fräsen zielt darauf ab, die Umweltauswirkungen der Fräsbearbeitung zu reduzieren. Dazu gehören die Entwicklung umweltfreundlicher Kühlschmierstoffe, das Recycling, die Wiederverwendung von Materialien sowie der Einsatz energieeffizienter Werkzeugmaschinen und Fräser.
Der Erfolg in diesen Bereichen beruht auf der Synergie mehrerer Schlüsselkomponenten, wie Werkzeugmaschinen, Schneidwerkzeugen und computergestützten Konstruktionssystemen (CAE). Das Hochgeschwindigkeitsfräsen beispielsweise erfordert Werkzeugmaschinentechnologien, die in der Lage sind, außergewöhnlich hohe Rotationsgeschwindigkeiten zu bewältigen, sowie fortschrittliche Schneidstoffe und Beschichtungen für Fräswerkzeuge. Gleichzeitig erfordert die Erhöhung der Präzision von Fräsoperationen nicht nur Fräswerkzeuge mit schmäleren Toleranzen, sondern auch verbesserte Steuerungssysteme und Linearmotorantriebe. Beim mehrachsigen Fräsen liegt der Durchbruch in der Hinzunahme von besser gesteuerten Bewegungsachsen und der Anwendung geeigneter Schneiden-Geometrien für die Fräswerkzeuge. Das adaptive Fräsen wiederum beinhaltet Innovationen wie den Einsatz modernster Überwachungssysteme, hochempfindlicher Sensoren und effizienter Algorithmen zur Optimierung von Schnittdaten und Werkzeugwegen in Echtzeit. Darüber hinaus erfordert der Fortschritt im Bereich der Nachhaltigkeit energieeffiziente Frässtrategien, die geeignete Werkzeugmaschinen, Schneidwerkzeuge und umweltfreundliche Kühlmitteltechniken einsetzen.
Das Wendeschneidplattenfräsen steht für die Weiterentwicklung von Bearbeitungsprozessen mit auswechselbaren Einsätzen.
- a) Fortschrittliche Schneidenwerkstoffe sind ein andauernder Prozess zur Verbesserung der Schneidstoffe für Wendeschneidplatten, einschließlich der Entwicklung aktueller Hartmetallsorten, Keramiken und ultraharter Schneidstoffe.
- b) Die Beschichtungstechnologien mit kontinuierlicher F&E konzentrieren sich auf neue Beschichtungen zur Verbesserung der Verschleiß- und Hitzebeständigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der Schmierfähigkeit.
- c) Die progressive Schneiden-Geometrie optimiert die Spanbildungstopologie der Schneidplatten, um die Schneidwirkung zu verbessern, die Schnittkräfte zu verringern und den Spanfluss bei Fräsarbeiten zu verbessern.
- d) Die effektive Nutzung des Schneidstoffs beinhaltet ein intelligentes Schneidplatten-Design, um maximale Schneidkanten zu bieten, ohne die Zerspanungsleistung zu verringern.
Die klare Ausrichtung auf Smart Manufacturing erfordert darüber hinaus die Integration der Digitalisierung in die Fräsbearbeitung und Fräswerkzeuge. Bezogen auf Fräswerkzeuge sind digitale Zwillinge und entsprechende Softwareanwendungen bereits heute ein "Muss" für ein umfassendes Werkzeugangebot.
Wie können sich die Hersteller von Schneidwerkzeugen dieser Herausforderung stellen? Welche Fräswerkzeuglösungen werden die richtige Antwort auf die sich abzeichnenden Trends geben? Ist der Bereich der Schneidwerkzeugherstellung, der in der Metallverarbeitung oft als konservativ gilt, in der Lage, eine zeitgemäße Antwort auf die aktuellen Anforderungen zu liefern? Die jüngsten Fortschritte von ISCAR geben einen tieferen Einblick in diese Themen.
Beim trochoidalen Hochgeschwindigkeitsfräsen folgt das Werkzeug einer gekrümmten Bahn, um eine konstante Belastung der Schneide aufrechtzuerhalten, wodurch plötzliche Belastungsspitzen beim Materialeintritt vermieden werden. Diese Strategie ist sehr effizient beim Fräsen von tiefen Nuten, Taschen und Hohlräumen, insbesondere bei geringer Bearbeitungsstabilität. Darüber hinaus hat das trochoidale Fräsen hervorragende Ergebnisse bei der Bearbeitung anspruchsvoller Werkstückstoffe wie harten Stählen oder hoch hitzebeständigen Superlegierungen (HTSA) gezeigt.
CHATTERFREE EC-E7/H7-CF ist ein neues Produktprogramm für mehrschneidige Vollhartmetallfräser, das speziell für trochoidale Frästechniken entwickelt wurde. Das geometrische Design der Werkzeuge umfasst unterschiedliche Spiralwinkel und variable Winkelsteigungen zur Verbesserung des dynamischen Schnittverhaltens. Diese Fräser sind in einer Auswahl von LxD -Verhältnissen erhältlich (Abb. 1).
Mit Hilfe moderner Werkzeugmaschinen kann das hochproduktive Fräsen von Aluminiumlegierungen bei extrem hohen Spindeldrehzahlen von bis zu 33.000 U/min erreicht werden. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, hat ISCAR 90°-Wendeschneidplattenfräser entwickelt, die großformatige Wendeschneidplatten mit einer Schnitttiefe von bis zu 22 mm aufnehmen können (Abb. 2). Die Fräser wurden speziell entwickelt, um eine radiale Verschiebung der Wendeschneidplatte, die bei sehr hohen Drehzahlen aufgrund der hohen Fliehkräfte auftreten kann, zu verhindern.
Das Hochvorschubfräsen (HFM) hat sich zu einem weit verbreiteten Verfahren für effiziente Schruppbearbeitungen von komplexen und flachen Oberflächen entwickelt. ISCAR bietet eine umfassende Palette von HFM-Produkten an, um die Anforderungen verschiedener industrieller Anwendungen zu erfüllen. Kürzlich wurde das Angebot durch neue Produkte erweitert. Das LOGIQ-4-FEED-Programm von HFM-Werkzeugen mit speziellen Wendeschneidplatten in „Knochenform“ (Abb. 3) umfasst nun auch Werkzeuge mit größeren Wendeschneidplatten. Diese neuen Produkte erweitern den Anwendungsbereich erheblich, insbesondere beim Hochvorschubfräsen von großen Kavitäten im Werkzeug- und Formenbau. Eine weitere Ergänzung ist NEOFEED, ein Programm von HFM-Werkzeugen mit doppelseitigen, quadratischen Wendeplatten mit 8 Schneidkanten für höhere Wirtschaftlichkeit.
Fortschritte bei mehrachsigen Werkzeugmaschinen und CAD/CAM-Systemen haben das präzise Fräsen komplexer Formen mit minimaler Abtragung des Werkstückstoffs unter Verwendung von segment- oder tonnenförmigen Schaftfräsern ermöglicht. Das ISCAR-Programm für diese Schaftfräser umfasst drei konstruktive Konzepte: eine Vollhartmetallversion, einen austauschbaren MULTI-MASTER-Kopf oder Ausführung mit einer Wendeschneidplatte (Abb. 4).
Beim Fräsen von hoch hitzebeständigen Superlegierungen (HTSA) bietet Schneidkeramik die Möglichkeit, die Schnittgeschwindigkeiten erheblich zu erhöhen. Tatsächlich können Schnittgeschwindigkeiten bis zu 1.000 m/min erreicht werden. Zu den neuesten Keramikwerkzeugen von ISCAR gehören keramische Vollhartmetallfräser und Wendeschneidplattenfräser mit doppelseitigen, runden Keramikeinsätzen. Das doppelseitige Design zielt darauf ab, die Nutzung keramischer Werkstoffe zu maximieren, wie z. B. "schwarze" Keramik, whiskerverstärkte Keramik und SiAlON (eine Art Keramik auf Siliziumnitridbasis).
Anhand der beschriebenen Beispiele lassen sich die wichtigsten Entwicklungsrichtungen bei Fräswerkzeugen gut veranschaulichen. Neue Anforderungen erfordern neue Lösungen, und diese neuen Herausforderungen werden die Suche nach innovativen Werkzeugkonstruktionen vorantreiben. ■
