Marktstudie: High Speed Cutting (HSC) in Europa

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Bedeutung der Formelzeichen und Abkürzungen

1 Einleitung
1.1 Definition High Speed Cutting
1.2 Geschichtliche Entwicklung HSC
1.3 HSC-Technologie
1.3.1 Das Wirkprinzip der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
1.3.2 Spezifische Eigenschaften
1.3.3 Schnittgeschwindigkeit, Schneidstoff und Beschichtung
1.3.4 Vorschubgeschwindigkeit, Spanquerschnitt und Zustellung
1.3.5 Kühlschmiermitteleinsatz und Trockenbearbeitung
1.3.6 Werkzeuggeometrie, Werkstücktopologie und Bearbeitungsstrategie
1.3.7 Oberflächenqualität
1.4 Marktstudie
1.5 Ziel der Arbeit

2 Vergleich zwischen HSC und HPC
2.1 High Speed Cutting (HSC)
2.1.1 Definitionen aus der Praxis
2.1.2 Einsatzgebiete
2.1.3 Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zeitspanvolumen
2.1.4 Werkzeuge und Schnittdaten
2.1.5 Praxisbeispiele
2.2 High Performance Cutting (HPC)
2.2.1 Begriffsbestimmung und Einsatzgebiete
2.2.2 Leistung und Drehmoment
2.2.3 Praxisbeispiel
2.3 Zusammenfassung
2.4 Maschinen in der Praxis
2.4.1 Darstellung einer HSC-Maschine
2.4.2 Darstellung einer HPC-Maschine

3 Definition von Ausschlusskriterien

4 Unterscheidungskriterien bei HSC-Maschinen
4.1 Aufbau einer Werkzeugmaschine
4.1.1 Gestell
4.1.2 Antrieb
4.1.3 Führung
4.1.3.1 Hydrodynamische Gleitführungen
4.1.3.2 Hydro- und aerostatische Gleitführungen
4.1.3.3 Wälzführungen
4.1.4 Schnittstellen für Werkzeuge und Spannmittel
4.1.5 Steuerung
4.1.6 Positionsmeßsysteme
4.1.7 Features
4.2 Unterscheidungskriterien

5 Ermittlung von HSC-Maschinenherstellern
5.1 Datenerhebung
5.1.1 Fachmesse EuroMold 2003
5.1.2 Fachbücher und -zeitschriften
5.1.3 Recherche im World Wide Web

6 Ergebnisse der Marktanalyse
6.1 Allgemeines
6.2 Technische Aspekte
6.3 Überblick über Marktangebot
6.3.1 Hermle C 500 V
6.3.2 Starrag-Heckert Kinematic SKM
6.3.3 Fidia K 199
6.3.4 Heyligenstaedt HEYNUMILL ecoflex 2000
6.3.5 Handtmann Baureihe UBZ NT
6.4 Definition von Leistungsklassen

7 Befragung der Anwender
7.1 Grundformen der Befragung
7.2 Methodische Probleme der schriftlichen Befragung
7.2.1 Das Repräsentanzproblem
7.2.1.1 Das Rücklaufproblem
7.2.1.2 Das Identitätsproblem
7.2.2 Das Kommunikationsproblem
7.2.2.1 Das Problem der formalen Gestaltung des Fragebogens
7.2.2.2 Das Problem der Steuerung des Befragungsprozesses
7.3 Die formale Gestaltung des Fragebogens
7.3.1 Umfang des Fragebogens
7.3.2 Aufbau des Fragebogens
7.3.3 Formulierung der Fragen
7.3.4 Fragetypen und Antwortmöglichkeiten
7.4 Der Fragebogen
7.4.1 Zielgruppe und Durchführung
7.4.2 Konzeption und Fragenauswahl
7.5 Ergebnisse der Befragung
7.5.1 Allgemeines
7.5.2 Technische Aspekte
7.5.3 Betriebswirtschaftliche Aspekte

8 Datenbank
8.1 Allgemeines über Datenbanken
8.1.1 Definition Datenbank
8.1.2 Erstellung einer Datenbank
8.2 HSC-Maschinen-Datenbank
8.2.1 Anforderungen an Datenbank
8.2.2 Umsetzung
8.2.3 Ausblick Datenbank

9 Zusammenfassung und Ausblick

10 Literaturverzeichnis

11 Anhang
11.1 Liste der angeschriebenen Unternehmen
11.2 Fragebögen
11.3 Ergebnisse der Befragung
11.3.1 Antwort „sehr wichtig“
11.3.2 Antwort „wichtig“
11.3.3 Antwort „neutral“
11.3.4 Antwort „weniger wichtig“
11.3.5 Antwort „nicht wichtig“
11.3.6 Altersstruktur HSC-Maschinen

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1: Charakteristika der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Sch-96, S. 4]

Abbildung 1.2: Schnittgeschwindigkeiten HSC [in Anlehnung an Tsc-02, S. 316]

Abbildung 2.1: Typische Anwendungsbeispiele

Abbildung 2.2: Zusammenhang zwischen Spindeldrehzahl und Schnittgeschwindigkeit [eigene Darstellung]

Abbildung 2.3: Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und Schnittgeschwindigkeit [eigene Darstellung]

Abbildung 2.4: Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und Spindeldrehzahl [eigene Darstellung]

Abbildung 2.5: Bauteil aus Flügelbereich [Spe-01, S. 13-16]

Abbildung 2.6: RP 800 Röders GmbH [Link02]

Abbildung 2.7: ECOSPEED DS Technologie Werkzeugmaschinen GmbH [Link04]

Abbildung 3.1: Rechenbeispiel [eigene Darstellung]

Abbildung 3.2: Rechenbeispiel [eigene Darstellung]

Abbildung 4.1: Aufbau einer Werkzeugmaschine [Mil-92, S. 127]

Abbildung 4.2: Bauformen [in Anlehnung an Con-02, S. 170]

Abbildung 4.3: Universal-HSC-5-Achs-Bearbeitungszentrum Handtmann [Link05]

Abbildung 4.4: Kavo Drive Systems Hochfrequenz-Motorspindel Typ 4060 [Link06]

Abbildung 5.1: Aussteller nach Produktbereichen [Link07]

Abbildung 6.1: Herkunft der HSC-Maschinen-Hersteller [eigene Darstellung]

Abbildung 6.2: Hermle C 500 V [Link08]

Abbildung 6.3: Starrag-Heckert Kinematic SKM [Link10]

Abbildung 6.4: Fidia K 199 [Link11]

Abbildung 6.5: Heyligenstaedt HEYNUMILL ecoflex 2000 [Link13]

Abbildung 6.6: Handtmann UBZ NT [Link05]

Abbildung 7.1: Fragebogen für die Anwender [eigene Darstellung]

Abbildung 7.2: Werkstoffe [eigene Darstellung]

Abbildung 7.3: Verbesserungsmöglichkeiten [eigene Darstellung]

Abbildung 7.4: In technischer Hinsicht wichtigsten Merkmale [eigene Darstellung]

Abbildung 7.5: Hersteller [eigene Darstellung]

Abbildung 7.6: Alter der HSC-Maschinen [eigene Darstellung]

Abbildung 7.7: Bedeutung Preis [eigene Darstellung]

Abbildung 7.8: Bedeutung Leistung [eigene Darstellung]

Abbildung 7.9: Bedeutung Design [eigene Darstellung]

Abbildung 7.10: Bedeutung Hersteller [eigene Darstellung]

Abbildung 7.11: Bedeutung Service [eigene Darstellung]

Abbildung 7.12: Bedeutung Produktivität [eigene Darstellung]

Abbildung 7.13: Bedeutung Flexibilität [eigene Darstellung]

Abbildung 7.14: Bedeutung Automatisierungsgrad [eigene Darstellung]

Abbildung 7.15: Antwort “sehr wichtig“ [eigene Darstellung]

Abbildung 8.1: Schritte zur Erstellung einer Datenbank [in Anlehnung an Cor-02, S. 23]

Abbildung 8.2: Formularansicht [eigene Darstellung]

Abbildung 8.3: Abfrage [eigene Darstellung]

Abbildung 8.4: Ergebnis der Abfrage [eigene Darstellung]

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1.1: Anwendungsgebiete der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Sch-96, S. 4]

Tabelle 2.1: Schnittdaten für Vollhartmetall-Schaftfräser bei gehärtetem Stahl [in Anlehnung an Link03]

Tabelle 2.2: Auf Erfahrung basierende Schnittdaten bei HSC [in Anlehnung an Link03]

Tabelle 2.3: Anhaltswerte für das Schlichten von Vergütungsstahl und legierten Grauguss [Ber-01, S.26-30]

Tabelle 2.4: Vergleich zwischen konventioneller und HSC-Bearbeitung [in Anlehnung an Jet-00, S. 21-23]

Tabelle 2.5: Vergleich zwischen HSC und HPC [eigene Darstellung]

Tabelle 2.6: Technische Daten Röders RP 800 [Link02]

Tabelle 2.7: Technische Daten ECOSPEED [Link04]

Tabelle 3.1: Übersicht über einzelne Parameter in Abhängigkeit des Werkstoffes [eigene Darstellung]

Tabelle 3.2: Vorschubgeschwindigkeiten [eigene Darstellung]

Tabelle 4.1: Eigenschaften von Gestellwerkstoffen [in Anlehnung an Con-02, S. 170]

Tabelle 4.2: Vor- und Nachteile der einzelnen Werkstoffe [Con-02, S. 173]

Tabelle 6.1: Technische Daten Hermle C 500 V [Link09]

Tabelle 6.2: Technische Daten Starrag-Heckert Kinematik SKM [Link10]

Tabelle 6.3: Technische Daten Fidia K 199 [Link12]

Tabelle 6.4: Technische Daten Heyligenstaedt HEYNUMILL ecoflex 2000 [Link13]

Tabelle 6.5: Technische Daten Handtmann UBZ NT [Link14]

Tabelle 7.1: Vor- und Nachteile der Grundformen der Befragung [Hüt-02, S. 77]

Tabelle 8.1: Merkmale mit Kategorien zur Auswahl [eigene Darstellung]

Bedeutung der Formelzeichen und Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

1.1 Definition High Speed Cutting

Der Begriff High Speed Cutting (HSC) kommt aus der englischen Sprache und bedeutet Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Als Faustformel für die HSC-Bearbeitung gilt heute eine um 5- bis 10-fach gegenüber der konventionellen Bearbeitung gesteigerte werkstoffabhängige Schnittgeschwindigkeit bei ähnlichen Vorschüben pro Zahn. Dadurch ergeben sich sehr hohe Drehfrequenzen der Hauptspindel und hohe Vorschubgeschwindigkeiten. Ein weiteres Kennzeichen der Hochgeschwindigkeits-bearbeitung ist die erzielbare Produktivität, welche im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung deutlich höher liegt [Sch-96, S. 1].

1.2 Geschichtliche Entwicklung HSC

„Die Ursprünge der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung reichen zurück in das Jahr 1931, in welchem Salomon das deutsche Patent Nr. 523594 zur Bearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten anmeldete. Erst mit der industriellen Einsatzreife der Schlüsselbaugruppe der Hochfrequenzspindel zu Beginn der 90er Jahre des vergangenen Jahrtausends standen die entsprechenden Maschinen für die Praxis zur Verfügung. Ausgangspunkt des Einsatzes war die technologisch günstige Zerspanung von Leichtmetallen in der Flugzeugindustrie. Aufgrund des erheblichen Potentials wurden allerdings sehr schnell auch weitere Industriezweige mit einem großen Anteil zerspanender Wertschöpfung wie der Werkzeug- und Formenbau für den HSC-Einsatz erschlossen.

Das Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Technischen Universität Darmstadt begann bereits 1979 mit seinen Forschungen auf diesem Gebiet und verfügt heute durch kontinuierliche Forschungstätigkeiten über ein umfangreiches Grundlagen- und Anwendungswissen. Bei den Forschungsarbeiten des PTW wurde großer Wert auf die ganzheitliche Betrachtung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung gelegt, wodurch zusätzliche Vorteile dieses Verfahrens erkannt wurden. Neben der Erhöhung des Zeitspanvolumens haben die Untersuchungen gezeigt, dass sich mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit nicht nur die Zerspanungskräfte reduzieren lassen, sondern auch die Prozesswärme mit dem Span abgeführt wird, die Oberflächenqualität erhöht wird und die Bearbeitung im schwingungsunkritischen Bereich erfolgen kann.

Aufgrund dieser Tatsachen ergeben sich die in Tabelle 1.1 gezeigten Anwendungsmöglichkeiten. Haupteinsatzgebiete sind insbesondere der Werkzeug- und Formenbau, die Luft- und Raumfahrttechnik, die Herstellung von kritischen wärmeverzugsempfindlichen und dünnwandigen Bauteilen sowie von Präzisionsteilen“ [Sch-96, S. 1-2].

Tabelle 1.1: Anwendungsgebiete der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Sch-96, S. 4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1.3 HSC-Technologie

1.3.1 Das Wirkprinzip der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung

„Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung handelt es sich um eine eigenständige Prozesskette mit sehr spezifischen Anforderungen und Leistungsdaten und nicht nur um eine beschleunigte Variante der bisher bekannten spanenden Verfahren.

Wird zur Einhaltung konstanter Spanquerschnitte die Vorschubgeschwindigkeit proportional zur Schnittgeschwindigkeit gesteigert, nimmt die Temperatur an der Schneide nicht in dem Maße zu. Der Grund dafür liegt darin, dass die Vorschubgeschwindigkeit die Wärmeleitgeschwindigkeit des Werkstoffes übersteigt. Die Wärmeausbreitung von der Kontaktstelle in den Grundwerkstoff wird reduziert und größtenteils über die Späne abgegeben, so dass der Bearbeitungszustand langfristig stabil und der Verschleiß wirtschaftlich bleibt“ [Pie-98, S. 3].

1.3.2 Spezifische Eigenschaften

„Die Motivation für den Einsatz der Hochgeschwindigkeitszerspanung liegt in einer Reihe von Vorteilen begründet. Hier sind neben dem höheren Zeitspanvolumen und geringeren Bearbeitungshauptzeiten vor allem das Erzielen besserer Oberflächenqualitäten, geringere Zerspanungskräfte und die Bearbeitbarkeit gehärteter Materialien zu nennen. Dagegen steht der Nachteil, dass es sich beim Hochgeschwindigkeitsfräsen um eine Technologie handelt, deren Wirtschaftlichkeit, Prozesssicherheit und Produktionsqualität äußerst sensibel von der Wahl verschiedener zum Teil konkurrierender Parameter abhängt. Als wesentliche Einflussfaktoren (Abbildung 1.1) sind zu nennen:

- Schnittgeschwindigkeit, Schneidstoff und Beschichtung
- Vorschubgeschwindigkeit, Spanquerschnitt und Zustellung
- Kühlschmiermitteleinsatz und Trockenbearbeitung
- Werkzeuggeometrie, Werkstücktopologie und Bearbeitungsstrategie
- Oberflächenqualität“ [Pie-98, S. 4]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.1: Charakteristika der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung [Sch-96, S. 4]

1.3.3 Schnittgeschwindigkeit, Schneidstoff und Beschichtung

„Ein entscheidender Faktor liegt in den realisierbaren Schnittgeschwindigkeiten, die je nach Paarung von Schneidstoff und Werkstoff sehr weite Bereiche abdecken. So liegen sie zum Beispiel bei den für die spanende Fertigung am häufigsten bearbeiteten Materialien Stahl und Aluminium in den Bereichen von 500-2000 m/min beziehungsweise von 1500-5000 m/min [Pie-98, S. 5]. Abbildung 1.2 zeigt die Abhängigkeit der Schnittgeschwindigkeit vom zu bearbeitenden Werkstoff.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1.2: Schnittgeschwindigkeiten HSC [in Anlehnung an Tsc-02, S. 316]

Bei zunehmender Schnittgeschwindigkeit steigt die thermische Belastung der Schneide progressiv an. Der Standweg wird aufgrund von Diffusionsvorgängen zunehmend geringer. Der Werkzeugstandweg kann durch die Verwendung von warmhärteren Schneidstoffen (zum Beispiel Cermet, CBN, PKD) sowie von verschleißmindernden Beschichtungen (TiN, TiC, TiCN, Al-O-N) vergrößert werden“ [Pie-98, S. 5].

1.3.4 Vorschubgeschwindigkeit, Spanquerschnitt und Zustellung

„Da ein zu geringer Vorschub einen zu geringen Spanquerschnitt zur Folge hat, drückt das Werkzeug statt zu schneiden und verschleißt somit schneller. Ein zu großer Vorschub wiederum erzeugt einen zu großen Spanquerschnitt und damit zu hohe Schnittkräfte. Neben höherem Verschleiß zieht dies auch eine Deflexion des Werkzeuges nach sich. Die axiale Zustellung ap hat einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Verschleißverhalten gegenüber der radialen Eingriffsbreite ae. Zum Sicherstellen einer möglichst langen eingriffsfreien Abkühlphase wird für die Arbeitsbreite ein Anhaltswert von 5-10% des Werkzeugdurchmessers bevorzugt“ [Pie-98, S. 6].

1.3.5 Kühlschmiermitteleinsatz und Trockenbearbeitung

„Der Einsatz von Kühlschmiermittel, meist in Form einer Minimalmengenschmierung, ist abhängig von der Schneidstoff-Werkstoffpaarung. Er dient dazu, chemische Affinitäten zu trennen, und verhindert so die Bildung von Aufbauschneiden. Insbesondere in der Aluminiumbearbeitung mit Hartmetallwerkzeugen zeigen sich günstige Auswirkungen auf Werkzeugstandweg und Oberflächenqualität. Hochwertigere aber sprödere Schneidstoffe werden aufgrund der schädlichen Temperaturwechselbeanspruchung in der Regel ohne Kühlschmiermittel eingesetzt“ [Pie-98, S. 6].

1.3.6 Werkzeuggeometrie, Werkstücktopologie und Bearbeitungsstrategie

„Im Bereich des Werkzeug- und Formenbaus müssen freigeformte Geometrien durch zeilenweise Annäherung erzeugt werden. Aufgrund der fast ausschließlichen Verwendung von Kugel- und Torusfräsern kommt es dabei je nach Zielgeometrie zu sehr unterschiedlichen Eingriffverhältnissen, Aufmassschwankungen und Zerspanungsparametern, die sich ungünstig auf die Prozesssicherheit, die Oberfläche, den Werkzeugstandweg und die Maßgenauigkeit auswirken. Aus diesem Grund ist sehr viel Know-How in die Entwicklung HSC-geeigneter Bearbeitungsstrategien zu investieren, die eine möglichst homogene Bearbeitung der unterschiedlichen Geometriebereiche ermöglichen. Dies erhöht den CAM-Programmieraufwand gegenüber der konventionellen Bearbeitung erheblich“ [Pie-98, S. 7].

1.3.7 Oberflächenqualität

„Die Oberflächenqualität wird bei zu geringer Schnittgeschwindigkeit durch Spanaufklebung beeinträchtigt. Bei zu hoher Schnittgeschwindigkeit kann es trotz geeigneter Spanquerschnitte durch dynamische Rauheit zu einer Verschlechterung der Oberflächenqualität kommen“ [Pie-98, S. 7].

1.4 Marktstudie

„Ein wichtiges Teilgebiet der betriebswirtschaftlichen Dynamik stellt das Marketing dar. Unter Marketing versteht man das Ausrichten und Anpassen der Unternehmenspolitik in sämtlichen Bereichen auf die Erfordernisse und dynamischen Bedingungen des Marktes. Wichtigstes Instrument zum Erlangen von Marktinformationen ist die Marktforschung. Die Marktforschung ist eine systematische, auf wissenschaftlichen Methoden gestützte Untersuchung der für eine Unternehmung wirtschaftlich relevanten Marktbedingungen mit dem Ziel, objektive Unterlagen und Informationen für absatzpolitische Entscheidungen bereitzustellen. Der Marktforschung kommen die Aufgaben der Erforschung der Konkurrenz (Angebot), des Bedarfs (Nachfrage) und der Absatzwege zu. Prinzipiell kann eine Gliederung zur Datengewinnung in die beiden Bereiche Primärforschung und Sekundärforschung vorgenommen werden“ [Bet-98, S. 85-86]. Zur Primärforschung zählen die Befragung und die Beobachtung, zur Sekundärforschung hingegen gedruckte Medien, Datenbanken und das World Wide Web.

Werkzeugmaschinen, welche Gegenstand der vorliegenden Diplomarbeit sind, gehören zur Gruppe der Investitionsgüter und weisen hinsichtlich der Marktforschung einige Besonderheiten auf, die wie folgt zusammengefasst werden:

- „als Nachfrager treten Organisationen auf, zum Beispiel Unternehmungen
- das Käuferverhalten nimmt den Charakter eines in der Regel multipersonalen–organisationalen Beschaffungsverhaltens an
- die Nachfrage ergibt sich als abgeleitete Größe
- der Verwendungszweck besteht in der Hervorbringung weiterer Sach-beziehungsweise Dienstleistungen
- es handelt sich häufig um komplexe Problemlösungen, die auf individuelle Kundenbedürfnisse zugeschnitten werden müssen“ [Hüt-02, S. 417].

1.5 Ziel der Arbeit

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Durchführung einer Marktstudie von europäischen HSC-Maschinenherstellern. Dazu soll im ersten Schritt zunächst die heutige Definition von High Speed Cutting (HSC) und High Performance Cutting (HPC) erarbeitet werden. Im nächsten Schritt werden Ausschlusskriterien definiert, auf deren Grundlage die Maschinen eindeutig dem HSC-Spektrum zugeordnet werden können. Danach werden alle auf dem europäischen Markt befindlichen HSC-Maschinen ermittelt. Anschließend folgen die Erhebung und die Auswertung der Kundenanforderungen mit Hilfe eines Fragebogens. Das Ergebnis der Arbeit wird schließlich in einer Datenbank dokumentiert, welche mit Microsoft Access erstellt wird.

2 Vergleich zwischen HSC und HPC

2.1 High Speed Cutting (HSC)

2.1.1 Definitionen aus der Praxis

Das vorliegende Kapitel wird zunächst mit einigen HSC-Definitionen aus der Perspektive der Praxis eingeleitet:

- „Kombination aus hoher Spindeldrehfrequenz und hoher Vorschubgeschwindigkeit abhängig vom zu bearbeitenden Werkstoff“ (Markus Berger, Schunk, Lauffen) [Jet-00, S. 21-23]
- „hohe Spindeldrehfrequenz und hohe Vorschubgeschwindigkeit in Abhängigkeit vom zu bearbeitenden Werkstoff und zusätzlich höhere Bearbeitungsqualität bei reduzierten Fertigungszeiten und –kosten“ (Hans W. Beck, Beck Engineering, Sinsheim) [Jet-00, S. 21-23]
- „HSC bedeutet nicht nur hohe Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten sondern auch niedrige Span-zu-Span-Zeiten“ (Wolfgang Hockauf, Robert Bosch, Stuttgart) [Jet-00, S. 21-23]

2.1.2 Einsatzgebiete

Die HSC-Technologie findet hauptsächlich bei der Herstellung von Formen und Schmiedegesenken und außerdem in der Präzisionsmechanik Verwendung. Typische Anwendungsbeispiele sind in Abbildung 2.1 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Typische Anwendungsbeispiele

2.1.3 Schnittgeschwindigkeit, Vorschub und Zeitspanvolumen

Wie bereits in Kapitel 1.1 beschrieben, beruht die Definition von HSC auf einer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit um einen Faktor fünf bis zehn im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung. Gleichung 2.1 zeigt, dass die Schnittgeschwindigkeit vc lediglich durch die beiden Parameter Werkzeugdurchmesser d und Spindeldrehzahl n beeinflusst wird.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Diese Gleichung macht deutlich, dass mit Erhöhen der Spindeldrehzahl oder des Werkzeugdurchmessers die Schnittgeschwindigkeit linear zunimmt (Abbildung 2.2 und 2.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Zusammenhang zwischen Spindeldrehzahl und Schnittgeschwindigkeit [eigene Darstellung]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und Schnittgeschwindigkeit [eigene Darstellung]

Ein Beispiel soll diesen Sachverhalt verdeutlichen. Eine Schnittgeschwindigkeit von 2.500 m/min lässt sich mit einem 20-mm-Schaftfräser bei einer Spindeldrehzahl von etwa 40.000 min-1 erreichen. Die gleiche Schnittgeschwindigkeit wird bei einem Messerkopf mit 200 mm Durchmesser bereits bei einer Drehzahl von 4.000 min-1 erreicht (Abbildung 2.4). Das simple Beispiel zeigt, dass nicht nur die Spindeldrehzahl der Maschine die HSC-Bearbeitung definiert. Ein konventionelles Bearbeitungszentrum mit einer Spindeldrehzahl von 4.000 min-1 ist also grundsätzlich nicht weniger für die HSC-Bearbeitung geeignet [Elz-04, S. 12-21].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Zusammenhang zwischen Werkzeugdurchmesser und Spindeldrehzahl [eigene Darstellung]

Neben der Schnittgeschwindigkeit spielt auch die Vorschubgeschwindigkeit bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eine wichtige Rolle. Die Vorschubgeschwindigkeit vf ist das Produkt aus Spindeldrehzahl n, Zähnezahl des Fräsers z und Vorschub pro Zahn fz (Gleichung 2.2).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der Vorschub erhöht sich sogar noch mehr, wenn ein kleiner Fräserdurchmesser gewählt wird, unter der Voraussetzung, dass der Vorschub pro Zahn und die Anzahl der Zähne gleich bleiben. Zwecks Ausgleichs eines kleineren Durchmessers ist zur Beibehaltung der gleichen Schnittgeschwindigkeit die Spindeldrehzahl zu erhöhen. Eine höhere Spindeldrehzahl wiederum bietet einen höheren Vorschub.

Sehr typisch für die HSC-Anwendung ist die Tatsache, dass die Schnitttiefe ap und die Schnittbreite ae sowie die mittlere Spandicke hm im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung sehr viel niedriger sind. Das Zeitspanvolumen ist dennoch beträchtlich größer als bei der herkömmlichen Zerspanung. Gleichung 2.3 beschreibt die Berechnungsformel für das Zeitspanvolumen Q [Link03].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.4 Werkzeuge und Schnittdaten

Typische Bearbeitungen im Werkzeug- und Formenbau sind Schruppen, Vorschlichten, Schlichten und in vielen Fällen Feinschlichten. In 80 bis 90% aller Fälle kommen als Werkzeuge Vollhartmetall-Schaftfräser oder Kugelschaftfräser zum Einsatz. Die Vollhartmetall-Schaftfräser verfügen über verstärkte Schneidkanten und über neutrale oder negative Spanwinkel. Ein typisches und wesentliches Werkzeugmerkmal ist ein dicker Kern für eine maximale Biegefestigkeit. Der Werkzeugdurchmesser beträgt allgemein zwischen 1 und 20 mm.

Ein zu beachtender Hauptparameter beim Vorschlichten oder Schlichten mit der HSC-Technologie in gehärtetem Werkzeugstahl ist die Verwendung von geringen Schnitttiefen. Die Schnitttiefe ap und die Schnittbreite ae sollten einen Wert von 0,2 mm nicht überschreiten. Dadurch soll eine übermäßige Werkzeugabdrängung vermieden und ein hohes Toleranzniveau sowie eine geometrische Genauigkeit der bearbeiteten Form oder Gesenkes beibehalten werden. Eine gleichmäßige Verteilung des zerspanten Materials für jedes Werkzeug garantiert auch eine konstante und hohe Produktivität. Die Schnittgeschwindigkeit und die Vorschubgeschwindigkeit werden bei einem konstanten Verhältnis von Schnitttiefe zu Schnittbreite auf dauerhaft hohem Niveau verbleiben. Das Ergebnis sind reduzierte mechanische Schwankungen, eine verminderte Belastung der Schneidkante sowie eine verbesserte Standzeit [Link03].

Im Werkzeug- und Formenbau werden Werkstücke in der Regel durch das Hochgeschwindigkeitsfräsen gefertigt. Die Oberfläche wird dabei zeilenförmig mit Hilfe von Torus- und Kugelkopffräsern angenähert. Um tiefe Kavitäten und Geometrien mit geringen Verrundungsradien zu fertigen, sind häufig schlanke und lang auskragende Werkzeuge notwendig. Aufgrund der auftretenden Prozesskräfte werden diese vom Werkstück weg gebogen [Ral-00, S. 32-34].

Untersuchungen zeigen, dass geringe Werkzeugabdrängungen durch verschiedene geeignete Kombinationen von Aufmass, Bahnabstand und Zahnvorschub erreicht werden können. Minimale Maßabweichungen sind also auch dann möglich, wenn einzelne Parameter aufgrund anderer Kriterien festgelegt sind. Aus Gründen der dynamischen Steifigkeit sind hohe Schnittgeschwindigkeiten sinnvoll. Hochgenaue Spannsysteme und Werkzeuge mit geringen Fertigungstoleranzen vermindern die Streuung der Werkzeugabdrängung. Durch Kenntnis des Prozessverhaltens können die Maßhaltigkeit der gefertigten Flächen gesteigert und die Bearbeitungskosten gesenkt werden [Ral-00, S. 32-34].

Typische Schnittdaten für Vollhartmetall-Schaftfräser mit einer TiC, TiN oder TiAlN-Beschichtung bei gehärtetem Stahl (HRC 54-58) sind Tabelle 2.1 zu entnehmen [Link03].

Tabelle 2.1: Schnittdaten für Vollhartmetall-Schaftfräser bei gehärtetem Stahl [in Anlehnung an Link03]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.2 zeigt auf Erfahrungswerten basierende Schnittdaten für verschiedene Werkstoffe.

Tabelle 2.2: Auf Erfahrung basierende Schnittdaten bei HSC [in Anlehnung an Link03]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Anhaltswerte für das Schlichten von Vergütungsstählen und legiertem Grauguss mit Torus- beziehungsweise Kugelkopffräsern sind in Tabelle 2.3 dargestellt.

Tabelle 2.3: Anhaltswerte für das Schlichten von Vergütungsstahl und legierten Grauguss [Ber-01, S.26-30]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.1.5 Praxisbeispiele

Zwei Beispiele aus der Praxis sollen das Potential der HSC-Bearbeitung im Vergleich zu konventionellen Verfahren verdeutlichen.

Bei der Bearbeitung von Automobilfelgen wurden früher für die NC-Programmierung 25 Stunden, zum Fräsen 28 Stunden und für das Finish 20 Stunden benötigt. Mit der HSC-Technologie betragen diese Zeiten heute für die Programmierung 15 Stunden, beim Fräsen 12 Stunden und für das Finish nur noch zwei Stunden. Die Gesamtzeit reduziert sich somit von 73 auf 29 Stunden [Jet-00, S. 21-23].

Den Vergleich zwischen dem Hochgeschwindigkeitsbearbeitungszentrum LINX vom Hersteller Jobs und einer bei BMW in München installierten Maschine zur Herstellung eines Kotflügels in Ureol zeigt Tabelle 2.4. Die Bearbeitungszeit reduziert sich von 480 Minuten auf 160 Minuten [Jet-00, S. 21-23].

Tabelle 2.4: Vergleich zwischen konventioneller und HSC-Bearbeitung [in Anlehnung an Jet-00, S. 21-23]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.2 High Performance Cutting (HPC)

2.2.1 Begriffsbestimmung und Einsatzgebiete

Der Begriff High Performance Cutting beziehungsweise High Productive Cutting kommt ebenfalls aus der englischen Sprache und bedeutet Hochleistungs-/ Hochproduktivbearbeitung. In der Praxis wird darunter häufig das Bearbeiten mit möglichst großem Zeitspanvolumen verstanden. Das Verfahren kommt beispielsweise in der Luftfahrtindustrie bei der Herstellung von Holmen, Rippen und Spanten zum Einsatz. Nach dem Zerspanungsprozess weisen diese Bauteile zum Teil nur noch etwa 5% ihres ursprünglichen Rohgewichts auf.

2.2.2 Leistung und Drehmoment

Wie Gleichung 2.3 gezeigt hat, bestimmen die Schnitttiefe ap, die Schnittbreite ae und die Vorschubgeschwindigkeit vf das Zeitspanvolumen. Ein hohes Zeitspanvolumen zieht stets einen hohen Leistungsumsatz in der Hauptspindel nach sich. Die Leistung einer kreisförmigen Bewegung ist in Gleichung 2.4 dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Stellt man die Gleichung 2.4 nach dem Drehmoment um, so sieht man in Gleichung 2.5 sehr deutlich, dass mit höchster Drehzahl bei konstanter Leistung kein hohes Drehmoment und damit auch keine hohen Abtragraten erreichbar sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Trotz der Zunahme universeller Systeme auf dem Markt sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften von Motorspindeln für anspruchsvolle Anwendungen in der Regel entweder auf hohe Drehzahlen oder aber auf hohe Drehmomente optimiert.

Bei der Bearbeitung verschiedener Werkstoffe geht man in der Praxis von folgenden Richtwerten aus: Bei Aluminium wird maximal 1 Nm Spindeldrehmoment pro Millimeter Werkzeugdurchmesser benötigt, bei Titan hingegen bis 10 Nm. Die Werte für Stahl, Stahlguss und Grauguss liegen zwischen diesen beiden Werten. Soll beispielsweise der Werkstoff Titan mit einem 40-mm-Fräser bearbeitet werden, so muss der Hauptantrieb ein maximales Drehmoment von 400 Nm zur Verfügung stellen [Elz-04, S. 12-21].

Das Ziel von HPC muss deshalb lauten, hohe und nicht höchste Schnittgeschwindigkeiten und deutlich gesteigerte Zahnvorschübe mit leistungsfähigen Spindelantrieben zu realisieren [Uhl-04, S. 38-42].

2.2.3 Praxisbeispiel

Das Leistungsvermögen der HPC-Technologie soll am Beispiel eines Bauteils aus dem Flügelbereich (Abb. 2.5) aufgezeigt werden. Die Hochleistungsbearbeitung erfolgt dabei auf dem Bearbeitungszentrum MAG4 aus dem Hause Makino. Das Teil, bestehend aus dem Material Al 7075 mit den Abmessungen 1230x410x40 mm und einem Gewicht von 50 kg, wird bis auf 2,3 kg zerspant. Das entspricht einem Zerspanungsgrad von 95 Prozent. Das Werkstück wird in 20 Minuten mit fünf Werkzeugen aus dem Vollen gefertigt. Die Hochleistungszerspanung erfolgt mit einem Schaftfräser, Durchmesser 20 mm, mit einer Spantiefe von 16 mm und einer Drehzahl von 30.000 min-1. Das Zerspanungsvolumen beträgt dabei 5120 cm³/min [Spe-01, S. 13-16].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Bauteil aus Flügelbereich [Spe-01, S. 13-16]

2.3 Zusammenfassung

Vergleicht man die beiden Fertigungsverfahren High Speed Cutting und High Performance Cutting miteinander, so stellt man folgende Unterscheidungsmerkmale fest. HSC definiert sich über höchste Drehzahlen, hohe Vorschübe und hohe Beschleunigungen in den Achsen. HPC hingegen arbeitet zwar ebenfalls mit hohem Vorschub und hoher Beschleunigung, allerdings mit niedrigerer Drehzahl bei hoher Leistung und hohem Drehmoment für große Zeitspanvolumina (Tabelle 2.5). Für die Herstellung von hohen Oberflächengüten und filigraner Strukturen ist HPC mit hohen Vorschubwerten nur eingeschränkt nutzbar [Scl-01, S. 22-25].

Tabelle 2.5: Vergleich zwischen HSC und HPC [eigene Darstellung]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4 Maschinen in der Praxis

Nach Gegenüberstellung beziehungsweise Vergleich der beiden Technologien High Speed Cutting und High Performance Cutting wird jetzt jeweils ein Repräsentant dieser Maschinentypen vorgestellt. Dies stellt zwar einen kleinen Vorgriff auf die spätere Recherche dar, erscheint aber an dieser Stelle durchaus sinnvoll.

2.4.1 Darstellung einer HSC-Maschine

Repräsentant aus dem Spektrum der HSC-Maschinen ist die 3-Achsen-HSC-Fräsmaschine Röders RP 800 von der Röders GmbH (Abbildung 2.6). Besondere Leistungsmerkmale sind unter anderem:

- hohe Vorschübe bis 60.000 mm/min
- hohe Beschleunigung in allen Achsen bis 13 m/s²
- Spindeln mit einer Leistung von 17 bis 40 kW
- hochsteife Portalbauweise
- Spindellängenkompensation
- Werkzeugwechsler 30-fach
- Messlaser für automatische Fräserlängen- und Durchmessererfassung
- Röders Hochgeschwindigkeitssteuerung RMS6 [Link02]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: RP 800 Röders GmbH [Link02]

Die technischen Daten der Röders RP 800 sind in Tabelle 2.6 dargestellt.

Tabelle 2.6: Technische Daten Röders RP 800 [Link02]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.2 Darstellung einer HPC-Maschine

Die ECOSPEED der DS Technologie Werkzeugmaschinen GmbH (Abbildung 2.7) repräsentiert die Gruppe der HPC-Maschinen.

Das Hochleistungsbearbeitungszentrum ist für die Aluminiumzerspanung konzipiert worden und erreicht durch das kinematische Konzept geringer zu bewegender Massen eine höchstmögliche Dynamik. Entwickelt wurde die ECOSPEED speziell für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von Flugzeugintegralbauteilen [Link04].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: ECOSPEED DS Technologie Werkzeugmaschinen GmbH [Link04]

Tabelle 2.7 zeigt die technischen Daten der ECOSPEED.

Tabelle 2.7: Technische Daten ECOSPEED [Link04]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Definition von Ausschlusskriterien

Aus den im vorangegangenen Kapitel gewonnenen Erkenntnissen wird nun versucht werden, Ausschlusskriterien zu definieren, auf deren Grundlage später Werkzeugmaschinen eindeutig dem Spektrum der HSC-Maschinen zugeordnet werden können.

Obgleich beim Einsatz der HSC-Technologie die gesamte Prozesskette betrachtet werden muss, kommt der Werkzeugmaschine beziehungsweise dem Bearbeitungszentrum die entscheidende Rolle in diesem Prozess zu und ist aus diesem Grund auch Hauptbetrachtungspunkt der vorliegenden Arbeit. Um die in Kapitel 1 charakteristischen Leistungsmerkmale der HSC-Bearbeitung wie hohe Schnittgeschwindigkeiten und hohe Produktivität zu erreichen, werden folgende Anforderungen an eine HSC-taugliche Maschine gestellt:

- hohe Dynamik der Motorspindel
- hohe Beschleunigungen
- schnelle Vorschübe und Eilgänge
- große Steifigkeit des Maschinenaufbaus [Jet-00, S. 21-23]

Diese Anforderungen weisen lediglich einen qualitativen Charakter auf. Um dem Begriff des Ausschlusskriteriums gerecht zu werden und später klar entscheiden zu können, welche Maschinen am Markt HSC-Tauglichkeit besitzen und welche nicht, müssen die einzelnen Anforderungen deshalb im nächsten Schritt in konkrete Zahlenwerte transformiert werden.

Schlüsselkomponente eines jeden Bearbeitungszentrums ist die Hauptspindel. Folgende technische Merkmale charakterisieren diese Baugruppe:

- Drehfrequenz
- Drehmoment
- Leistung

Um jedem einzelnen Parameter einen Wert zuweisen zu können, soll zunächst als zu bearbeitender Werkstoff Aluminium betrachtet werden. Wie in Kapitel 1 dargestellt worden ist, liegt die Schnittgeschwindigkeit von Aluminium bei der HSC-Bearbeitung zwischen 1.500 und 5.000 m/min. Ausgangslage der Überlegungen soll eine Schnittgeschwindigkeit vc von 1.600 m/min und ein Werkzeugdurchmesser d von 8 mm sein, welcher typisch für die Schlichtbearbeitung ist. Nach Gleichung 2.1 folgt daraus eine Spindeldrehzahl n von etwa 64.000 min-1. Für den vorliegenden Fall ergäbe sich nach dem im Kapitel 2.2.2 beschriebenen Richtwert von 1 Nm pro Millimeter Werkzeugdurchmesser bei Aluminium ein notwendiges Drehmoment von 8 Nm. Beispiele aus der Praxis zeigen jedoch, dass beim Werkstoff Aluminium von weitaus kleineren Richtwerten ausgegangen werden kann [Sch-01, S.13-16]. Nimmt man einen Wert von 0,25 Nm pro Millimeter Werkzeugdurchmesser an, so ergibt sich ein Drehmoment von 2 Nm. Bei einer errechneten Spindeldrehzahl von 64.000 -1min und einem Drehmoment von 2 Nm folgt somit aus Gleichung 2.4 eine Leistung von etwa 14 kW.

Zusammengefasst ergeben sich folgende Ergebnisse:

- Drehfrequenz: 64.000 m-1
- Drehmoment: 2 Nm
- Leistung: 14 kW

Neben Aluminium soll auch der Werkstoff Stahl in die Betrachtungen mit einbezogen werden. Bei der HSC-Bearbeitung liegt die Schnittgeschwindigkeit von Stahl im Bereich zwischen 500 und 2000 m/min. Ausgangspunkt sind eine Schnittgeschwindigkeit von 600 m/min und ein Werkzeugdurchmesser von 8 mm. Mit den bereits zuvor verwendeten Gleichungen erhält man folgende Werte:

- Spindeldrehzahl: 24.000 min-1
- Drehmoment: 8 Nm
- Leistung: 20 kW

Werden diese Berechnungen für die übrigen in Kapitel 1 angeführten Werkstoffe durchgeführt, erhält man die in Tabelle 3.1 dargestellte Übersicht.

Tabelle 3.1: Übersicht über einzelne Parameter in Abhängigkeit des Werkstoffes [eigene Darstellung]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Der mathematische Zusammenhang zwischen den Parametern Werkzeugdurchmesser, Drehfrequenz, Drehmoment und Leistung bei konstanter Schnittgeschwindigkeit wird nochmals in einem Rechenbeispiel (Abbildung 3.1) verdeutlicht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.1: Rechenbeispiel [eigene Darstellung]

Man sieht sehr deutlich, dass mit einer einmal aus der werkstoffabhängigen Definition für die HSC-Bearbeitung festgelegten Schnittgeschwindigkeit (hier für Aluminium vc=1.600 m/min) die notwendige Leistung ihren Wert nicht verändert (hier P=14 kW). Dieser Zusammenhang liegt darin begründet, dass mit Verdoppeln des Werkzeugdurchmessers sich das Drehmoment zwar ebenso verdoppelt, die Drehfrequenz sich jedoch halbiert. Da sich die Leistung aus den Faktoren Drehfrequenz und Drehmoment errechnet, bleibt diese konstant.

Erst bei einer Änderung der Schnittgeschwindigkeit verändert sich auch der Wert der notwendigen Leistung, was im Rechenbeispiel in Abbildung 3.2 dargestellt ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3.2: Rechenbeispiel [eigene Darstellung]

Ruft man sich nun die in Kapitel 2.4.1 vorgestellte 3-Achsen-HSC-Fräsmaschine Röders RP 800 ins Gedächtnis zurück, so kann man auf diese die hier definierten Kriterien anwenden. Man kann sehen, dass mit der angegebenen Spindeldrehzahl von 36.000 min-1 und dem maximalen Werkzeugdurchmesser von 20 mm die Mehrzahl der Schnittgeschwindigkeiten realisiert werden kann, Ausnahmen bilden Kupfer, Aluminium und Faserverbundwerkstoffe. Blickt man jedoch auf die angegebene Leistung der Spindel von 17 kW, muss man feststellen, dass dieser Wert nur mit den notwendigen Leistungen für Titan- und Nickellegierungen korrespondiert.

Von großem Interesse sind des Weiteren auch die Vorschubgeschwindigkeiten der einzelnen Achsen. Ausgangsbasis sind auch hier wieder die werkstoffabhängigen Schnittgeschwindigkeiten bei der HSC-Bearbeitung und die dafür notwendigen Drehzahlen. Mit einer Zähnezahl z von 2 und einem Vorschub pro Zahn fz von 0,15 mm ergeben sich nach Gleichung 2.2 die in Tabelle 3.2 dargestellten Vorschubgeschwindigkeiten vf für die einzelnen Werkstoffe.

Tabelle 3.2: Vorschubgeschwindigkeiten [eigene Darstellung]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Zusammenfassend kann die Aussage getroffen werden, dass eine Werkzeugmaschine beispielsweise für die Bearbeitung von Stahl, welcher im Werkzeug- und Formenbau hauptsächlich Verwendung findet, dann HSC-Tauglichkeit besitzt, wenn sie mindestens eine Leistung von 20 kW, ein Drehmoment von 8 Nm, eine Drehzahl von 24.000 min-1 und eine Vorschubgeschwindigkeit von 8 m/min bietet. Erst wenn sie alle diese Bedingungen erfüllt, kann sie zum Spektrum der HSC-Maschinen gezählt werden.

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