Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Minimalmengenschmierung

1. Einleitung

Die folgende Seminararbeit beschäftigt sich mit dem Thema der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung mit Minimalmengenschmierung. Sie wurde im Rahmen des technischen Schwerpunkts Produktionstechnik im 5. Semester des Bachelorstudiengangs Wirtschaftsingenieurwesen verfasst.

Unter Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird die Fertigung unter Verwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten und/oder gleichzeitig großen Vorschubgeschwindigkeiten verstanden. Der Begriff HSC (High Speed Cutting) kommt aus dem Englischen und hat sich als Überbegriff für die gesamte Hochgeschwindigkeitszerspanung im deutschen Sprachraum durchgesetzt. Wesentlicher Vorteil der HSC-Fertigung ist die Produktionszeitverkürzung.

Der andere Fachbegriff aus der Thematik der Arbeit ist die Minimalmengenschmierung. Ein Begriff, welcher seit einigen Jahren oftmals mit HSC in Verbindung gebracht wird. Für die Minimalmengenschmierung gibt es keine DIN Definition. Allgemein ist Minimalmengenschmierung ein Kühlschmierkonzept, welches besagt, dass der Schmiermitteleinsatz bei der Fertigung den Wert von 50ml/h nicht übersteigt. In der Praxis findet häufig der Einsatz eines Druckluft-Öl-Gemisches Anwendung. Der grundlegende Vorteil dieses Schmierkonzeptes ist die Minimierung des Schmiermitteleinsatzes.

Wie in Abbildung 1 zu erkennen, gehören die Fertigungsverfahren, wie z.B. Fräsen oder Bohren, bei denen die HSC-Technologie eingesetzt wird, zum „Trennen“, bzw. der Untergruppe „Spanen mit geometrisch bestimmter Schneide“. Aus diesem Grund wird die HSC-Bearbeitung nach DIN 8580 in die Hauptgruppe des Trennens eingeordnet. Trennen ist das Fertigen durch Ändern der Form eines festen Körpers.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Einteilung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580^[1]

Zu Beginn unser Arbeit erfolgt ein kurzer Einblick in die konventionelle spanende Bearbeitung, um ein gewisses Grundverständnis der Thematik zu vermitteln und eine Darstellung der zeitlichen Entwicklung der HSC-Bearbeitung. Daraufhin folgen die Schwerpunkte der Arbeit. Hierbei wird vor allem auf das HSC-Bohren und HSC-Fräsen, den allgemeinen Aufbau einer HSC-Maschine und die Schneidstofftechnologie eingegangen. Außerdem folgen Kapitel über die Bearbeitungsweisen unterschiedlicher Werkstoffe und über die Minimalmengenschmierung selbst. Zum Abschluss werden die wirtschaftlichen Aspekte der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung betrachtet, sowie eine Analyse der Vor- und Nachteile bei der Bearbeitung mit hohen Geschwindigkeiten und ein Zukunftsausblick verfasst.

2. Die Geschichtliche Entwicklung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

Seit den zwanziger Jahren begannen Wissenschaftler sich für Zerspanungsversuche mit hohen Schnittgeschwindigkeiten zu interessieren. Mit Hilfe eines Kreissägeblatts wurden Versuche bei der Stahlbearbeitung mit vc = 440 m/min oder bei der Aluminiumbearbeitung von bis zu vc = 16 500 m/min durchgeführt.^[2] Man stellte unter anderem fest, dass die Vorschubgeschwindigkeiten und Schnittgeschwindigkeiten aneinander anzupassen sind und welches hohe Potential bezüglich einer Reduzierung der Fertigungszeiten in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung steckt. Der deutsche Carl Salemon stellte 1936 auf Grund der Ergebnisse dieser Experimente außerdem die wichtige Theorie auf, dass es werkstoffabhängig immer eine spezifische Schnittgeschwindigkeit gibt, ab der die Zerspanungstemperatur trotz steigender Schnittgeschwindigkeit wieder anfängt zu sinken.^[3]

Unter anderem auf Grund des zweiten Weltkriegs begann man aber erst wieder in den fünfziger Jahren an hohen Schnittgeschwindigkeiten zu forschen. Die fehlende Maschinentechnologie ließ damals nur ballistische Versuche zu. Eine Methode war z.B. das Werkzeug als Geschoss auszubilden und es im Flug einen Schnitt am Werkstück erzeugen zu lassen.^[4] In den USA war man um 1960 bereits in der Lage Versuche an Stahl mit Schnittgeschwindigkeiten zwischen 9000 und 72 000 m/min durchzuführen. Die Geschwindigkeiten wurden mittels eines Raketenschlittens erzeugt, der ebenfalls an der Werkstückprobe vorbeigeschossen wurde.^[5] Die Theorie von Salemon konnte durch diese Versuche erstmals nachgewiesen werden. Unabhängig davon kam die Sowjetunion etwa zeitgleich zu ähnlichen Ergebnissen.

Wichtigste Erkenntnis der Forschung in den sechziger Jahren war, dass durch Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eine hohe Produktivitätssteigerung bei gleichzeitiger Kostensenkung möglich wäre. Außerdem wurden die wesentlichen Probleme erkannt, nämlich die hohen Maschinenschwingungen und der starke Werkzeugverschleiß.^[6]

1977 konnte dann in den USA auf Grund neuer Entwicklungen bei den Werkzeugmaschinen erstmals die Theorie in der Praxis geprüft werden. Auf einer NC-Fräsmaschine wurden Schnittgeschwindigkeiten von 1980 m/min generiert. Es wurden Werte über die wesentlich höheren Zeitspanvolumina festgehalten und erkannt, dass mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit die Oberflächengüte des Werkstücks ebenfalls steigt. Des Weiteren konnten nun Untersuchungen zum Schneidenverschleiß vorgenommen werden. Die Abhängigkeit des Verschleißes vom Werkstückwerkstoff, so wie auch von der Schnittgeschwindigkeit, waren weitere wesentliche Erkenntnisse.^[7]

Mit der Entwicklung von magnetgelagerten Hochfrequenzspindeln gelang 1980 ein entscheidender Durchbruch. Die Lagerung der Hauptspindel hatte bis dahin keine höheren Schnittgeschwindigkeiten beim Fräsen zugelassen. Durch die neu gelagerten Spindeln wurden nun bereits Schnittgeschwindigkeiten von 4788 m/min in der Forschung genutzt und eine umfassende Erforschung der gesamten Hochgeschwindigkeitstechnologie konnte ihren Anfang nehmen.^[8] Es wurde begonnen die gesamte Maschinentechnologie zu verbessern und optimale Schnittgeschwindigkeitsbereiche für einzelne Werkstoffe konnten ermittelt werden. Mitte der achtziger Jahre begann der Verkauf von HSC-Maschinen für die gewerbliche Fertigung.^[9] Erste Anwendung fanden sie in der Luftfahrtindustrie.

Seit den neunziger Jahren wird verstärkt an der Bearbeitung von Hochleistungswerkstoffen wie Nickelbasislegierungen oder Titanlegierungen geforscht. Die Industrie in Deutschland ließ erst seit 1995 ein Interesse an der Herstellung von Maschinen mit HSC-Technologie erkennen.^[10] Seit dem hat sich ihre Position als Anbieter am Markt aber stetig verbessert, so dass deutsche Hochgeschwindigkeitsmaschinen heute zu den gefragtesten und am weitest verbreiteten gehören.

Heutzutage liegen die Hauptanwendungsgebiete der HSC-Technologie im Werkzeugbau, der Luft- und Raumfahrt und in der Fertigung von Präzisionsteilen. Die Schnittgeschwindigkeiten können z.B. beim HSC-Fräsen ohne Probleme im Bereich um 8000 m/min liegen, falls dies nötig ist. Die Erforschung der Hochgeschwindigkeitstechnologie ist auch weiterhin ein aktuelles Thema. Besonders an der Verringerung des Werkzeugverschleißes, der Entwicklung neuer Werkzeuge und der Nutzung von Minimalmengenschmierung und Trockenbearbeitung wird heutzutage viel gearbeitet.

3. Die Fertigungsverfahren Drehen, Fräsen und Bohren

Zur Einführung in die Thematik der spanenden Fertigung werden im Folgenden die wesentlichen Verfahren erläutert, um Grundlagen für die Einführung in die HSC-Technologie zu schaffen.

3.1 Drehen

„Drehen ist ein spanendes Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide, rotatorischer Schnittbewegung und einer beliebig dazu quer liegenden translatorischen Vorschubbewegung [DIN8589a]. Zur kinematischen Einordnung wird immer die Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug betrachtet.“^[11]

Gemäß DIN 8589 werden Drehverfahren nach „Form der erzeugten Werkzeugfläche[,] Werkzeugform und Kinematik eingeteilt“.^[12] Prinzipiell unterscheidet man zwischen zwei Drehverfahren. Dem Längsdrehen, bei welchem der Vorschub stets parallel zur Drehachse bzw. Werkstückachse stattfindet und dem Querdrehen, bei welchem die Vorschubbewegung immer senkrecht zur Werkstückachse stattfindet.^[13] Im folgenden Abschnitt sollen beispielhaft die Verfahren Quer-Plandrehen sowie Längs-Runddrehen erklärt werden.

3.1.1 Quer-Plandrehen

Beim Verfahren Quer-Plandrehen wird eine ebene Fläche erzeugt, welche senkrecht zur Drehachse liegt.^[14] Dieses Verfahren wird häufig als erstes durchgeführt, um eine ebene Oberfläche und einen klar definierten Bezugspunkt am Werkstück zu bekommen. Zu beachten ist, dass in der Werkstückmitte, also im Bereich der Rotationsachse die Schnittgeschwindigkeit auf null abfällt. Um einem kegligen Absatz am Punkt der Drehsachse entgegen zu wirken, wird circa 1-2 mm über die Werkstückmitte hinausgefahren.^[15]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Quer-Plandrehen^[16]

3.1.2 Längs-Runddrehen

Allgemein auch als Längsdrehen bezeichnet ist Längs-Runddrehen das Drehverfahren mit größter Bedeutung. Hierbei liegt die axiale Vorschubbewegung parallel zur Rotationsachse des Werkstücks. Liegt die erzeugte Fläche außen am Werkstück, bezeichnet man das Verfahren als Außenlängsdrehen. Liegt die Fläche innerhalb des Werkstücks, als Innenlängsdrehen. Für diese beiden Verfahren existiert eine Vielzahl von Werkzeugen, auf welche jedoch nicht genauer eingegangen wird, da dies zu umfassend für diese Übersicht wäre.^[17] Bei weiterem Interesse bezüglich Drehwerkzeugen empfiehlt sich das Buch „Spanende Fertigung“ von H. Schönherr.

3.2 Fräsen

Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren, bei welchem das Werkzeug rotiert und zudem meist mehrschneidig ist. Vorschub- und Zustellbewegung können hierbei sowohl vom Werkzeug, als auch vom Werkstück ausgehen.^[18] „Die Vorschubbewegung kann eben oder eine räumliche Bahnkurve sein, was auch die große Vielzahl an Werkstückformen begründet.“^[19]

Gemäß DIN 8589 Teil 3 wird das Fräsen nach drei Kriterien eingeteilt, wobei als wichtigstes Kriterium die Relation zwischen Vorschubbewegung und der Schnittbewegung zu nennen ist. Sind Schnittbewegung und Vorschubrichtung gleich, spricht man vom Gleichlauffräsen. Sind sie gegenläufig, spricht man analog von Gegenlauffräsen. Weiter sind die Form der erzeugten Oberfläche und die „Lage der Werkzeugachse zur erzeugten Oberfläche“^[20] zu nennen, wodurch wiederum weitere Fräsarten definiert werden.^[21] Die Folgende Grafik zeigt noch einmal anschaulich den Unterschied zwischen Gleich- und Gegenlauffräsen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Gleich- und Gegenlauffräsen^[22]

3.3 Bohren

„Bohren ist Spanen mit kreisförmiger Schnittbewegung, wobei die Vorschubbewegung nur in Richtung der Drehachse erfolgt. Die Drehachse ist werkzeug- und werkstückgebunden.“^[23] Sinngemäß bedeutet dies, dass die Lage der Rotationsachse während der Bearbeitung unverändert bleibt und lediglich der Bohrer, „meist zweischneidig“^[24], in Richtung dieser Achse bewegt wird.

Nach DIN 8589 Teil 2 werden die verschiedenen Bohrverfahren nach gewissen Kriterien, wie „Form der erzeugten Oberfläche […,] Werkzeugform und Kinematik“^[25] eingeteilt. Die Folgende Grafik bietet eine Übersicht über verschiedene Bohrverfahren.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Bohrverfahren^[26]

4. Hochgeschwindigkeitsbearbeitung beim Fräsen, Bohren, Drehen und Schleifen

Nachdem nun gewisse Grundlagen der spanenden Fertigung geschaffen wurden, soll im folgenden Kapitel ein grundlegender Überblick über die Verfahren der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung geschaffen werden, wobei im weiteren Verlauf dieser Arbeit genauer auf einzelne Verfahren, insbesondere das HSC-Fräsen bestimmter Werkstoffe, eingegangen wird.

4.1 Hochgeschwindigkeitsfräsen

Hochgeschwindigkeitsfräsen, auch als High Speed Cutting (HSC) bzw. High Speed Milling (HSM) bezeichnet, unterscheidet sich vom konventionellen Fräsen vor allem durch erhöhte Vorschub- und Schnittgeschwindigkeiten. Diese sind bei der HSC-Bearbeitung um das Fünf- bis Zehnfache höher als bei konventionellen Verfahren.^[27] Abbildung 5 zeigt den Bereich der möglichen Schnittgeschwindigkeiten der HSC-Bearbeitung einzelner Werkstoffe.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Bearbeitungsbereich verschiedener Werkstoffe mit Übergangsbereich^[28]

4.1.1 Einsatzgebiete Hochgeschwindigkeitsfräsen

Die HSC- Technologie findet vorwiegend bei hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität, bzw. die Zerspanleistung Anwendung. Solche Anforderungen finden sich häufig im Formen- und Werkzeugbau. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Herstellung von Blasformen zur Produktion von Kunststoffflaschen, welche hohe Anforderungen an die Oberflächengüte stellen.^[29] Weitere Einsatzgebiete sind die Luft- und Raumfahrttechnik. Hierfür werden insbesondere Turbinenschaufeln oder komplexere Profil- und Integralbauteile durch Hochgeschwindigkeitsfräsen hergestellt. Die HSC-Technologie findet im Bereich der Optik und Feinmechanik Anwendung, sowie bei der Fertigung von Präzisionsteilen. Sie erfordern hohe Genauigkeiten und werden häufig für Pumpengehäuse oder Kompressoren eingesetzt.^[30]

4.1.2 Frässtrategie

Die Wahl der richten Frässtrategie richtet sich vor^[31] allem nach der Art der zu fertigenden Kontur. Hierbei muss entschieden werden, ob es sich um eine grobe Form handelt, welche durch Schruppen^[32] hergestellt wird oder ob es sich bereits um die endgültige Form handelt, bei welcher hohe Anforderungen an die Oberfläche gestellt werden und welche durch Schlichten^[33] hergestellt wird.^[34]

Die Herstellung von Freiformflächen wirft beim HSC- Fräsen ein Problem auf, da der Vorschub des Fräsers je nach Menge des verbleibenden Restmaterials angepasst werden muss. Bleibt zu viel Restmaterial stehen, muss der Vorschub angepasst und verringert werden, da andernfalls zu überhöhten Belastungen am Fräser kommen kann. Auch ohne diese Zusatzbelastung weist dieser eine schlanke Bauform auf und ist dementsprechend anfällig. Analog hierzu ist der Vorschub zu erhöhen, falls wenig Restmaterial vorhanden ist. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig, führt aber zu Zeiteinsparungen.^[35]

Im Folgenden soll auf die Abhängigkeit von Zeilenabstand und Rautiefe eingegangen werden, welche maßgeblich für die Oberflächenqualität ist. Hierfür wird der Einfachheit halber von einem Kugelkopffräser bei dreiachsigem Fräsen ausgegangen. Unter dem Zeilenabstand versteht man den Abstand der einzelnen Fräsgänge zueinander. Ist dieser Abstand groß, ist die Rauheit der entstehenden Oberfläche relativ hoch und es muss mit geringem Vorschub gearbeitet werden. Bei geringem Zeilenabstand wird nur wenig Material entfernt und die Vorschubgeschwindigkeit kann erhöht werden. Dadurch besteht die Möglichkeit vieler Fräsgänge, welche, durch den geringen Zeilenabstand auch nötig sind. Diese Vorgehensweise erzielt deutlich bessere Oberflächen und auf eine Nachbearbeitung des Werkstücks kann verzichtet werden.^[36] Abbildung 6 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Zeilenabstand und Rautiefe (R1). Das entstehende Rillenmuster der Oberfläche ist deutlich erkennbar und fällt bei geringerem Zeilenabstand ebenfalls sichtbar kleiner aus.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Einfluss des Zeilenabstandes auf die Rauheit^[37]

4.1.3 Vor- und Nachteile des Hochgeschwindigkeitsfräsens

Einer der Hauptvorteile der HSC-Bearbeitung liegt in der Verringerung der Hauptzeiten. Dieses hat eine Verkürzung der gesamten Durchlaufzeit, sowie höhere Produktivität zur Folge. Das Zerspanvolumen wird um 30% erhöht und die Zerspankräfte nehmen um selbige ab. Dies stellt gerade bei Werkstücken mit geringer Wandstärke einen enormen Vorteil dar. Des Weiteren werden im Vergleich zum konventionellen Fräsen bessere Oberflächengenauigkeiten erzielt, die im Bereich einer Rautiefe von Ra ≈ 0,2 µm und Rz ≈ 3 µm liegen. Auf eine Nachbearbeitung kann dadurch in vielen Fällen verzichtet werden. Thermische Vorteile ergeben sich durch die schnellere Abfuhr der Wärme durch den Span. Das Werkstück wird dadurch weniger stark erwärmt und es kommt zu keiner Beeinflussung der Randzone durch thermische Effekte. Nachteilig ist die Reduzierung der Standzeit bei Zunahme der Schnittgeschwindigkeit zu bewerten, sowie der bis zu zehnmal höhere Energiebedarf im Vergleich mit herkömmlicher Bearbeitung. Beschleunigungen von 5-15 m/s² und Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 60 m/min führen zu hohen Anforderungen an die dynamische Steifigkeit der Maschine. Drehzahlen von 20.000 bis 120.000 U/min stellen zudem hohe Anforderungen an die Arbeitssicherheit.^[38]

4.1.4 Wichtige Regeln für das HSC Fräsen

Abschließend zum Fräsen werden einige Hinweise zur Qualitätsverbesserung gegeben.

Zur Verbesserung der Oberflächenqualität und zwei- bis fünfmal längerer Werkzeugstandzeit sollte Gleichlauffräsen verwendet werden. Positiver Nebeneffekt dieses Verfahrens ist eine verminderte Geräuschentwicklung. Unnötige Änderungen der Bahnrichtung des Fräsers sind zu vermeiden, um diesen nicht unnötig zu belasten und schnelleren Verschleiß herbeizurufen. Beim kopierfräsen ist darauf zu achten, dass wenn möglich der Ziehschnitt dem Bohrschnitt vorzuziehen ist. Neben einer Erhöhung der Oberflächengüte sowie der Maßgenauigkeit führt auch dies zu einer längeren Werkzeugstandzeit. Eine Neigung des Kopierfräsers beim Kopierfräsen um 3-15° in Vorschubebene verhindert eine Spanabnahme durch die Fräsermitte. Die ist zu vermeiden, da dort die Schnittgeschwindigkeit vc auf null abfällt. Hierfür sind eine aufwendigere Programmierung und eine 5-achsige Fräsmaschine erforderlich.^[39] Bohr- und Ziehschnitt sind in Abbildung 7 veranschaulicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Unterschied Bohr- und Ziehschnitt sowie Neigung des Kopierfräsers^[40]

4.2 Hochgeschwindigkeitsbohren (High Speed Drilling HSD)

Hochgeschwindigkeitsbohren und –reiben (HSD) ist eines der am weitesten verbreiteten Verfahren der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Die wichtigste Frage ist, ab welcher Schnittgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeitsbohren gesprochen werden kann. Da Schnittgeschwindigkeiten jedoch immer vom zu bearbeitenden Werkstoff abhängig sind, kann diese nicht generell festgelegt werden und es gilt die Regelung:

„ vc beim HSD > 2 ∙ vc konventionell“ ^[41]

4.2.1 Vor- und Nachteile des HSD

Generell sind alle Vorteile des HSD gegenüber konventionellem Bohren auf die um über das doppelte erhöhte Schnittgeschwindigkeit abzuleiten. Bedingt durch die erhöhte Schnittgeschwindigkeit lässt sich der Vorschub ebenfalls im gleichen Verhältnis erhöhen, was eine gesteigerte Produktivität zur Folge hat. Dadurch wird die Fertigungszeit reduziert und die Produktionskosten sinken. Positiver Nebeneffekt ist, hinsichtlich Maßgenauigkeit und Rauheit, eine Verbesserung der Bohrungsqualität.^[42]

Es ergeben sich aber auch Nachteile aus der Zunahme der Schnittgeschwindigkeit. Unter anderem wird die Standzeit der Bohrer verringert, was wiederum zu höheren Produktionskosten führt.

Einen weiteren Nachteil stellen die fünf- bis zehnmal höheren Energiekosten des HSD im Vergleich zum konventionellen Bohren dar. Schwierigkeiten bringen auch die Zuführung des Kühlschmierstoffes, sowie die Abfuhr der Späne aus einer tiefen Bohrung mit sich. Als problematisch kann auch das Abfallen der Schnittgeschwindigkeit auf null in der Bohrermitte bewertet werden, was jedoch beim konventionellen Bohren ebenfalls vorliegt. Es bleibt noch zu erwähnen, dass durch höhere Schnittgeschwindigkeiten generell mehr abzuführende Wärmeenergie anfällt, welche durch den Span aus der engen Bohrung abgeführt werden muss.^[43]

4.2.2 Kühlschmierung beim HSD

Zur Kühlschmierung des Systems sollte Öl mit optimierter Technologie, anstelle von Emulsionen, wie beim konventionellen Bohren, eingesetzt werden. Dies verlängert den Standweg des Bohrers erheblich. Abbildung 8 zeigt den Standweg Lf in Abhängigkeit vom Kühlschmierstoff, wobei zu beachten ist, dass bei Emulsion und Öl lediglich mit einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 55 m/min gearbeitet wurde. Bei Öl mit optimierter Technologie hingegen wurde HSD angewandt. Ersichtlich ist, dass nicht nur die Bearbeitungszeit durch HSD kürzer wird, sondern sich auch der Standweg des Werkzeugs verlängert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Standweg Lf in Abhängigkeit vom Kühlschmierstoff^[44]

Die außerdem wichtige Thematik der Minimalmengenschmierung, welche ebenfalls Anwendung findet, wird ab Kapitel 8 eingehend untersucht.

4.2.3 Generelle Voraussetzungen für HSD

Die möglichst ideale Einspannung des Bohrers im Bohrfutter ist eine der wichtigsten Voraussetzungen um eine mögliche Umwucht zu vermeiden bzw. zu begrenzen. Sie sollte daher an der Schneide nicht mehr als 10 µm betragen. Zusätzlich ist eine sehr scharfe Schneidgeometrie und eine hohe Steifigkeit der gesamten Anlage erforderlich.^[45]

Der Zusammenhang zwischen Schnittgeschwindigkeit, Rautiefe und Vorschub ist in Abbildung 9 noch einmal visualisiert. Der Effekt der Verbesserung der Bohrungsqualität durch Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit ist hierbei deutlich zu erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Mittlere Rautiefe als Funktion der Schnittgeschwindigkeit und des Vorschubs

4.3 Hochgeschwindigkeitsdrehen

Das Hochgeschwindigkeitsdrehen hat im Vergleich zum Hochgeschwindigkeitsfräsen und –bohren nur eine geringe Bedeutung. Dies ist vor allem auf die deutlich anderen Rahmenbedingungen zurückzuführen. Hohe sicherheitstechnische Rahmenbedingungen stellen sich als außerordentlich problematisch dar, weil große rotierende Massen mit hoher Drehfrequenz beherrscht werden müssen.^[46] Dennoch wird im Folgenden ein kurzer Überblick gegeben, wann Hochgeschwindigkeitsdrehen sinnvoll sein kann und was damit erreichbar ist.

4.3.1 Erreichbare Oberflächenqualitäten

Die Wirtschaftlichkeit von Hochgeschwindigkeitsdrehen hängt vor allem mit den erzielbaren Oberflächenqualitäten zusammen. Im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren sollten diese Qualitäten mindestens von gleicher Güte sein. Faktoren wie Schnitttiefe, Vorschub, Schnittgeschwindigkeit und die Schneidgeometrie, sowie die Eigenschaften der Maschine selbst, beeinflussen die Oberflächengüte maßgeblich. Bei Optimaler Schnittgeschwindigkeit ergibt sich ein deutliches Minimum der Rautiefe. Bei steigender Schnittgeschwindigkeit verschlechtert sich die Güte der Oberfläche erheblich. Folglich lohnt sich Hochgeschwindigkeitsdrehen nur bei ausgewählten Werkstoffen, welche ihre optimale Schnittgeschwindigkeit im Hochgeschwindigkeitsbereich haben.^[47] Auf weitere Faktoren wird in diesem Fall nicht genauer eingegangen.

4.3.2 Folgerungen für die praktische Anwendung

Folgend werden Schlussfolgerungen für die praktische und wirtschaftliche Anwendung dem Hochgeschwindigkeitsdrehen vorgestellt.

In wieweit eine Bearbeitung durch Hochgeschwindigkeitsdrehen lohnenswert ist, hängt in erster Linie vom Anteil der Schruppzeit an der gesamten Fertigungszeit ab. Schruppbearbeitung wird mit geringsten Fertigungszeiten bei maximalem Vorschub und der Zustellung nahe am Optimum optimal durchgeführt. Hieraus ergeben sich niedrige Schnittgeschwindigkeiten und somit auch niedrige Drehzahlen. Zwar kann bei konventionellen Maschinen noch die höchstmögliche Drehzahl gewählt werden, allerdings übersteigt die Drehzahl einer Hochgeschwindigkeitsmaschine die optimale Drehzahl erheblich. Die hohe Drehzahl sorgt aber für eine nicht optimale Bearbeitung, wodurch sich die Schruppbearbeitung im Hochgeschwindigkeitsbereich nicht anbietet. Die Schlichtbearbeitung hingegen ist durch geringe Zustellungen und Vorschübe gekennzeichnet, was eine hohe bzw. werkstoffoptimale Drehzahl für optimale Oberflächenqualitäten nötig macht. Diese Drehzahl kann jedoch im Hochgeschwindigkeitsbereich liegen, wodurch hier eine Bearbeitung auf einer Hochgeschwindigkeitsdrehmaschine durchaus Vorteile bieten kann. Abbildung 10 zeigt den Einfluss der Schruppzeit an der Fertigungszeit und den Kosten. Hierbei werden zwei Beispiele herangezogen. Zum einen das Drehen aus dem Vollen^[48] und zum anderen das Überdrehen, also die Weiterbearbeitung, eines bereits vorgefertigten Schmiedeteils, bei welchem die Schruppzeit sehr gering ausfällt. Sehr gut ersichtlich ist die Zeitersparnis bei beiden Verfahren. Da der Anteil der Schruppzeit an der Gesamtzeit beim Überdrehen jedoch sehr gering ist, ist hier nicht nur eine Zeitersparnis erkennbar, sondern auch ein Kostenvorteil gegenüber dem konventionellen Drehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Zeit und Kostenvergleich in Abhängigkeit von der Vorbearbeitung^[49]

Somit lässt dich zusammenfassend feststellen, dass sich der Einsatz der Hochgeschwindigkeitsmaschine erst lohnt, wenn der Anteil der Schruppzeit, welche bei niedrigen Drehzahlen durchgeführt wird, an der Gesamtzeit niedrig ist. Weiter ist es durchaus sinnvoll mit vorbearbeiteten Werkstücken zu arbeiten, um nicht aus dem Vollen drehen zu müssen.^[50]

4.4 Hochgeschwindigkeitsschleifen / Hochleistungsschleifen

Abschließend zur Einführung in die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird noch einmal kurz das Thema Hochgeschwindigkeitsschleifen, auch High Speed Grinding (HSG), angerissen. Maßgeblich für dieses Verfahren sind Schnittgeschwindigkeiten, welche im Bereich von 100 bis 340 m/s liegen. Durch die bereits vorhergegangene Einführung in die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, sind die Effekte, die durch die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit auftreten bekannt. Geringerer Scheibenverschleiß und sinkende Schnittkräfte auf Grund des gleichbleibenden Zerspanvolumens bei erhöhter Schnittgeschwindigkeit sind nur einige davon. Jedoch ist beim Schleifen die Zunahme der Temperatur in der Kontaktzone von entscheidender Bedeutung, da durch diese thermischen Effekte die Randzone stark beeinflusst wird, was jedoch auch bereits im vorangegangen Teil dieser Arbeit thematisiert wurde. In der Praxis konnte sich das Hochgeschwindigkeitsschleifen noch nicht vollständig etablieren, da die hohen Schnittgeschwindigkeiten neue Anforderungen an die Maschinen stellen.^[51]

5. Die HSC-Maschine und Ihre Komponenten

Folgendes Kapitel beschäftigt sich mit dem allgemeinen Aufbau der HSC-Maschine. Vor allem auf die technischen Aspekte, Motorspindel und Maschinengestell, wird näher eingegangen. Die elektrotechnischen Komponenten der Maschine werden angesprochen, jedoch nicht näher erläutert.

Die HSC-Bearbeitung stellt vor allem an die Maschine selbst, aber auch an die Werkzeuge, besondere Anforderungen. So nehmen die Werkzeuge sowohl durch verschiedene Schneidstoffe, als auch durch unterschiedliche Konstruktionen, einen wesentlichen Einfluss auf die Bearbeitung.

Bei der HSC-Bearbeitung müssen die Werkzeuge große Kräfte aushalten, welche zu einem schnellen Verschleiß führen. Beschichtungen der Werkzeuge verringern diesen Verschleiß und verlängern die mögliche Einsatzzeit um ein Vielfaches. Aus diesen Gründen wird die Entwicklung der Werkzeugbeschichtung in Kapitel 7- näher betrachtet.

5.1. Das Maschinengestell

Dem Maschinengestell werden zwei wesentliche Aufgaben zugeteilt. Zum einen muss es die Baugruppen tragen und zum anderen muss es statischen, dynamischen und thermischen Belastungen standhalten. Diese Belastungen bei HSC-Maschinen können enorm sein, wobei die statischen von relativ geringer Bedeutung sind. Grund für den geringen Einfluss der statischen Belastung ist, dass die Werkstücke gar nicht oder höchstens in einer Achse bewegt werden. Die Hauptkriterien, die bei der Auslegung des Maschinengestells zu berücksichtigen sind, sind daher die dynamischen und thermischen Kräfte. Dynamische Kräfte gewinnen durch die hohen Werte für Drehzahl, Beschleunigung und Vorschubgeschwindigkeit an Wichtigkeit, aber auch die thermischen Aspekte stehen im Fokus. Durch schnelle Bewegungen der Hauptspindel und Vorschubantriebe, sowie durch die anfallenden Späne, die große Wärmemengen aufnehmen und ebenfalls in großer Menge anfallen, ist das Maschinengestell thermischen Belastungen ausgesetzt.^[52] Diese Umstände führen dazu, dass das Maschinengestell im Kern nach den thermischen und dynamischen Kenngrößen konstruiert wird. Mit Materialien wie Grauguss und Stahl, welche für konventionelle Maschinen genutzt werden, ist dies nicht mehr möglich.^[53] Heutzutage kommen Reaktionsharze zum Einsatz. Reaktionsharze sind Kunststoffe, die aus kalthärtendem Harz (6 - 7%) als Binder und mineralischen Füllstoffen (91 – 94%) bestehen.^[54] Der Vorteil des Reaktionsharzes ist eine hohe spezifische Wärmekapazität in Verbindung mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit. Bei kurzzeitigen Temperaturschwankungen zeigt es nahezu keine Veränderung. Außerdem ist das Reaktionsharz dynamisch gesehen stabiler. Es kann zehnmal mehr Dämpfungen aufnehmen als Grauguss. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass Bauteile aus Reaktionsharz in ihren Fertigungskosten ca. 20 - 30% günstiger sind als die konventionellen aus Guss oder Stahl. Der Grund für die geringeren Kosten liegt in der Konstruktion. Reaktionsharz härtet auch bei großen Querschnitten ohne Probleme aus, was aufwendige Konstruktionen entfallen lässt. Ein stärkerer Querschnitt ist durch das geringere E-Modul im Vergleich zu Guss und Stahl notwendig. Dadurch entsteht ein positiver Nebeneffekt.^[55]

Durch den stärkeren Querschnitt werden statische Belastungen so gut wie ausgeglichen. Aus diesen Gründen werden heutzutage Maschinengestelle aus Reaktionsharz konstruiert.

5.2 Motorspindel

Im Bereich der spanenden Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sind hohe Schnittgeschwindigkeiten (ca. 16000 min-1 – 20000 min-1) erforderlich, welche mit Hilfe einer Hauptspindel erreicht werden. Somit ist die Hauptspindel Kernstück jeder HSC-Maschine.^[56] Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten erfolgt die Übertragung der Kräfte nicht über Riemen oder Zahnräder. Das Werkzeug ist somit direkt mit derselben Welle und dem Antriebsmotor der Hauptspindel befestigt. Dieser Aufbau führt zu einer kompakten Einheit. In einem Gehäuse kann die Welle mit Antriebsmotor, Spannsystem und Werkzeugaufnahme angebracht werden (Abbildung 11).^[57]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Frässpindel^[58]

„Die Spindeln werden als Motorspindeln ausgelegt.“^[59] Die wesentlichen Parameter sind:

Genauigkeit,

Steife,

Drehzahl,

Leistung,

Kosten und

Betriebsverhalten.^[60]

Genauigkeit und Steifigkeit werden in der Spindel durch die Lager bestimmt, weshalb diese in einer Spindel die wichtigsten Bauelemente sind. Die wichtigsten Lager sind Wälzlager, jedoch werden auch Öl-, Magnet und Luftlager für verschiedene Bereiche und Anforderungen eingesetzt.^[61] Wälzlager, Öl- und Magnetlager werden im weiteren Verlauf dieser Arbeit noch näher erläutert.

Alle Motorspindeln müssen durch die entstehende Wärme im Gehäuse und im Rotor gekühlt werden. Die Wärme wird mit Hilfe eines geschlossenen Flüssigkeitskreislaufes abgeführt.

Als Schnittstelle zum Werkzeug hat sich der Hohlschaftkurzkegel (nach DIN 69893) bewährt und durchgesetzt.

Angetrieben werden die Motorspindeln meist durch einen Drehstrom-Asynchronmotor, aber auch permanent erregte Synchronmotoren kommen heutzutage zum Einsatz.^[62]

Im nächsten Unterkapitel wird der Aufbau der Lager beschrieben und ihre Funktionsweise erklärt.

5.2.1 Wälzlager

Die Wälzlager haben sich bei den Hauptspindeln bewährt, da sie im Bezug auf die Zerspanungs- und die Spindelleistung in einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis stehen. Wälzlager sind günstig in der Herstellung und zeichnen sich durch eine relativ hohe Betriebssicherheit aus. Aus diesen Gründen sind heutzutage bis zu 80% aller Motorspindeln mit Wälzlagern ausgerüstet.^[63]

Der generelle Aufbau eines Wälzlagers ist vergleichbar mit dem Aufbau eines handelsüblichen Kugellagers. Beginnend von Innen liegt der sogenannte Innenring. Dieser ist mit metallischen Kugeln umsetzt, durch welche der Innen- mit dem Außenring verbunden ist.

Die Nachteile der Wälzlager liegen erstens in dem großen Verschleiß bei hohen Drehzahlen, zweitens in der Begrenzung der Drehfrequenz und drittens in der aufwendigen Schmierung.^[64]

5.2.2 Hydrostatische Lager

Bei den Hydrostatischen Lagern herrscht stets reine Flüssigkeitsreibung, somit gibt es keinen metallischen Kontakt zwischen Kugeln und Gehäuse. Durch eine Pumpe wird außerhalb des Lagers Druck erzeugt. Der entstandene Druck verteilt das Öl symmetrisch um die Welle. Die drehende Welle berührt nicht das Gehäuse, sie gleitet regelrecht auf dem Ölfilm.

Einer der Vorteile gegenüber den Wälzlagern ist der geringe Rundlauffehler (< 0,2 mm). Das Öl bewirkt, dass die Rundlauffehler ausgeglichen werden und somit niedriger sind als bei den Wälzlagern. Bei den Wälzlagern entsteht durch den geringeren Schmierfilm (1/10 mm) ein deutlich größerer Rundlauffehler (³ 1 mm).^[65] Mit der Zeit erhöht sich dieser durch mechanische Beanspruchung und dem daraus resultierenden Verschleiß, welcher bei den hydrostatischen Lagern weitaus geringer ausfällt. Somit haben Hydrostatische Lager eine höhere Genauigkeit als Wälzlager. Ein weiterer Punkt, der zu einer höheren Genauigkeit führt, ist die durch das Öl erzeugte Dämpfung. Die Schwingungen werden durch das Öl absorbiert.

Doch trotz der vielen Vorteile werden Hydrostatische Lager heutzutage kaum eingesetzt. Grund dafür ist, dass mit steigender Umfangsgeschwindigkeit auch die Flüssigkeitsreibung wächst. Durch eine Erhöhung der Motorleistung kann diese Reibung nicht kompensiert werden, da die Motorleistung drehzahlabhängig ist.^[66]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Hydrostatische Motorspindel^[67]

5.2.3 Magnetlager

Von immer größerer Bedeutung werden Magnetlager. Der immense Vorteil dieses Lagers ist, dass es keine Berührung zwischen Gehäuse und Welle gibt. Außerdem muss es weder geschmiert noch gekühlt werden und es finden auch keine Reibungen statt. Das Magnetlager ist somit wartungsfrei. Ein weiterer Vorteil ist die automatische Umwuchtkompensation. Bei den anderen Lagern kann es vorkommen, dass die Rotorachse nicht mit der Trägheitsachse übereinstimmt. Dies kann zu Abweichungen führen, welches aber bei den Magnetlagern nicht der Fall ist. Die Welle dreht im Luftspalt in ihrer Hauptträgheitsachse, weshalb Abweichungen so gut wie nie vorkommen. Nachteilig sind die hohen Anschaffungskosten der elektrischen Regelung der Magnetlager. Daher sind Magnetlager noch vergleichsweise selten vertreten.^[68]

[...]

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^[1] http://www.fachwissen-technik.de/fertigungsverfahren.png (am 06.12.2011)

^[2] Vgl. Schulz: Hochgeschwindigkeitsfräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe S. 3

^[3] Vgl. Reich und Gröger: HSC - Bearbeitung - ein Überblick S. 7

^[4] Vgl. Reich und Gröger: HSC - Bearbeitung - ein Überblick S. 7

^[5] Vgl. Schulz: Hochgeschwindigkeitsfräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe S. 4

^[6] Vgl. Schulz: Hochgeschwindigkeitsfräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe S. 4

^[7] Vgl. Schulz: Hochgeschwindigkeitsfräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe S. 4

^[8] Vgl. Reich und Gröger: HSC - Bearbeitung - ein Überblick S. 8

^[9] Vgl. Reich und Gröger: HSC - Bearbeitung - ein Überblick S. 8

^[10] Vgl. Reich und Gröger: HSC - Bearbeitung - ein Überblick S. 8

^[11] Klocke, König: Fertigungsverfahren 1: Drehen, Fräsen, Bohren, Band 1 S. 417

^[12] Schönherr: Spanende Fertigung, S. 67

^[13] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung, S. 68

^[14] Vgl. Fritz, Kuhn: Fertigungstechnik, S. 289

^[15] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung, S. 68

^[16] Schönherr: Spanende Fertigung S. 68

^[17] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 70

^[18] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 225

^[19] Schönherr: Spanende Fertigung S. 225

^[20] Schönherr: Spanende Fertigung S. 226

^[21] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 226

^[22] Schönherr: Spanende Fertigung S. 226

^[23] Paucksch, Holsten, Linß, Tikal: Zerspantechnik: Prozesse, Werkzeuge, Technologien S. 134

^[24] Schönherr: Spanende Fertigung S. 145

^[25] Schönherr: Spanende Fertigung S. 146

^[26] Paucksch, Holsten, Linß, Tikal: Zerspantechnik: Prozesse, Werkzeuge, Technologien S. 134

^[27] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 296

^[28] Schönherr: Spanende Fertigung S. 301

^[29] Vgl. Findeklee: Genauigkeitssteigerung beim Hochgeschwindigkeitsfräsen

^[30] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 296

^[31] Vorgehensweise zur Herstellung der Kontur

^[32] Verfahren zum Abheben von Werkstoff mit großem Spanvolumen (geringe Oberflächengüte)

^[33] Verfahren zum Abtragen geringer Materialmengen zur Feinbearbeitung (hohe Oberflächengüte)

^[34] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 298 f

^[35] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 299

^[36] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 298 f.

^[37] Schönherr: Spanende Fertigung S. 299

^[38] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 297

^[39] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 300

^[40] Schönherr: Spanende Fertigung S. 299

^[41] Schönherr: Spanende Fertigung S. 197

^[42] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 297

^[43] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 297

^[44] Schönherr: Spanende Fertigung S. 199

^[45] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 197 ff.

^[46] Vgl. Schulz: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung S. 92

^[47] Vgl. Schneider: Aufwand, Nutzen und Grenzen des Hochgeschwindigkeitsdrehens S. 21

^[48] Fertigungsverfahren ohne Vorbearbeitung des Werkstücks

^[49] Schneider: Aufwand, Nutzen und Grenzen des Hochgeschwindigkeitsdrehens S. 94

^[50] Vgl. Schneider: Aufwand, Nutzen und Grenzen des Hochgeschwindigkeitsdrehens S. 94 f.

^[51] Vgl. Schönherr: Spanende Fertigung S. 425

^[52] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 12

^[53] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 12

^[54] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 12

^[55] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 12 f.

^[56] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 14

^[57] Vgl. Herbert Schulz: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung – High Speed Machining S. 163

^[58] Vgl. Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung S.163

^[59] Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 14

^[60] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 14

^[61] Vgl. Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung S.163 f.

^[62] Vgl. Herbert Schulz: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung High Speed Machining S. 164

^[63] Vgl. Herbert Schulz: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung High Speed Machining S. 164

^[64] Vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 14 f.

^[65] Vgl. Herbert Schulz: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung High Speed Machining S. 167 f.

^[66] Vgl. Schulz,H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung High Speed Machining S. 167

^[67] Schulz, H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung S. 168

^[68] Vgl. Schulz,H.: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung High Speed Machining S. 168 f. und vgl. Steffen Reich und Matthias Eckehard Gröger: HSC-Bearbeitung – Ein Überblick S. 15 f.