High Speed Machining (HSM) ist eine wichtige Technologie, die in der modernen Frästechnologie weit verbreitet ist. Durch den Einsatz der HSM-Frästechnologie ist es möglich, nicht nur verschiedene weiche und harte Materialien zu fräsen, sondern auch eine hervorragende Werkstückpräzision zu erreichen. Dieser Artikel beschreibt die HSM-Anforderungen für Werkzeuge und Halter.
1. HSM-Anforderungen für Schneidwerkzeuge
1. Geometrie
Werkzeugvibrationen wirken sich direkt auf die durch die Bearbeitung erzielte Oberflächenqualität aus. Daher ist es äußerst wichtig, während der HSM-Schlichtbearbeitung eine gleichmäßige Schnittkraft auf das Werkzeug aufrechtzuerhalten, um Werkzeugvibrationen zu vermeiden.
Der Einfluss der angrenzenden geometrischen Eigenschaften des Werkzeugs auf die Schnittkraft:
• Guter Rundlauf ermöglicht gleichmäßige Lastverteilung auf der Schneide
• Größere Schneidenüberdeckung für gleichmäßigeren Schnittkraftverlauf (größerer Drallwinkel und Schneidenzahl)
• Kurze Schnittlänge für bessere Steifigkeit (Durchmesser der Welle etwas reduziert gegenüber steilen Maschinenwänden)
• Bester Kernquerschnittszustand mit minimaler Spannungskonzentration an der Kerbe
Mit HSM können hochfeste Werkstoffe bearbeitet werden, das heißt, der Widerstand gegen Verformung steigt mit der Härte des zu bearbeitenden Materials. Die erhöhte Belastung der Schneide erfordert eine stabile Auslegung der Schneidengeometrie. Bei hoher Schnittgeschwindigkeit entsteht jedoch mehr Reibungswärme im freien Bereich der Werkstückoberfläche, wodurch der Freiwinkel des Werkzeugs reduziert werden muss. Eine Erhöhung der Stabilität der Schneide kann daher nur durch eine Verringerung des Fasenwinkels erreicht werden. Bei sehr hartem Material und sprödem Werkzeugmaterial kann es sogar zu einem negativen Fasenwinkel kommen.
An der Klingenspitze werden passgenaue Radien geschliffen, um Rotglut oder partiellen Kantenbruch bei plötzlicher Erwärmung zu vermeiden.
Wenn die Formgenauigkeit des Werkstücks sehr hoch sein muss, hat der Radius des Kugelabschnitts des verwendeten Endbearbeitungswerkzeugs einen direkten Einfluss auf die Formgenauigkeit des zu bearbeitenden Werkstücks. Daher ist es als Grundvoraussetzung sehr wichtig, bei der Endbearbeitung sehr filigraner Teile Werkzeuge mit sehr engen Radiustoleranzen (im Mikrometerbereich) einzusetzen.
2. Materialien und Beschichtungen
Der Werkzeugwerkstoff muss härter sein als der zu bearbeitende Werkstoff. Je größer der Härteunterschied zwischen Werkstückstoff und Werkzeugwerkstoff, desto geringer der Werkzeugverschleiß und desto länger die Standzeit. Aufgrund der hohen lokalen Temperaturen ist auch darauf zu achten, dass der Werkzeugwerkstoff oxidationsbeständig ist.
Große Schwankungen in der thermischen Belastung und die Notwendigkeit der Oxidationsbeständigkeit des Werkzeugmaterials führen schließlich zu der Notwendigkeit von Beschichtungen auf feinkörnigen Wolframkarbid-Werkzeugkörpern.
Bewährte Schichtsysteme wie TiN, TiCN und TiAlCN stoßen bei der HSM-Bearbeitung schnell an ihre Grenzen. Daher wurden Mehrkomponenten-Schichtsysteme auf Basis von Nitriden mit hohem Aluminiumanteil in Kombination mit anderen Elementen wie Yttrium, Vanadium oder Tantal entwickelt. Höhere Leistungen können auch mit Nanoschichtstrukturen, CBN und PKD erzielt werden.
2. Anforderungen von HSM an Werkzeughalter
Aufgrund der bei der HSM-Bearbeitung erforderlichen hohen Spindeldrehzahlen kommen am besten die Werkzeugaufnahmesysteme HSK-A und HSK-E zum Einsatz. Da der Werkzeughalterflansch am Spindelkopf montiert ist, hat der Werkzeughalter eine definierte mechanische Abstützung in Z-Richtung, sodass er bei höheren Drehzahlen nicht durch erhöhte Fliehkräfte in die Spindel geschleppt wird.
Bereits in der Prozessvorbereitungsphase können grundlegende Fehler aufgetreten sein, die eine schwingungsärmere und sichere Prozessführung unmöglich machen. Um eine stabile HSM-Bearbeitung zu erreichen, ist es wichtig, die Ausrichtung der Werkzeug- und Werkzeughalterbaugruppe nach Bedarf auszugleichen und zu überprüfen. Auch die mit der Unwuchtmasse verbundene Drehzahlgrenze muss berücksichtigt werden.
Ein schlecht ausgewuchtetes oder falsch ausgerichtetes rotierendes Werkzeugsystem führt zu:
• sehr schlechte Oberflächenqualität
• sehr geringe Standzeit
• Schlechte Prozessstabilität und -sicherheit
• Mögliche Beschädigung der Frässpindel
Die Unwucht und Abweichung vom idealen Rundlauf durch abrupte Änderungen im Prozess ist in der folgenden schematischen Darstellung sehr gut zu erkennen:
Keine Abweichung gegenüber perfektem Rundlauf: geringere theoretische Rauheit
Abweichung vom perfekten Rundlauf: größere theoretische Rauheit
Die Ausgleichsmasse hat einen wichtigen Einfluss auf die Dynamik des gesamten rotierenden Systems.
Unwucht ist gleichbedeutend damit, dass sich ein exzentrisches Objekt dreht. Dieser Exzenterkörper kann eine Fliehkraft induzieren, die quadratisch mit der Drehzahl ansteigt. Das bedeutet, dass dieselbe Unwucht auf eine Spindel mit 42,000 U/min 441-mal so viel Zentrifugalkraft induziert wie auf eine Spindel mit 2,000 U/min (212=441). Daher hat eine Unwucht der Werkzeughalteranordnung bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung besonders ausgeprägte nachteilige Folgen.
Durch die Anwendung der Werkzeugspanntechnik in HSM können Sie Werkzeughalter verwenden mit:
• Spannzangen u
• Reduzierstücke
Alternative Systeme wie Weldon-Steckverbinder sind nicht zu empfehlen, da sie erhebliche Nachteile bei der HSM-Verarbeitung aufweisen.
Durch die guten Dämpfungseigenschaften der Spannzangen, die beim Schruppen gute Ergebnisse liefern, wird zusammen mit den Reduziergelenken eine sehr hohe Steifigkeit und Wiederholgenauigkeit erreicht. Dies ist unerlässlich, um eine perfekte Werkstückoberfläche zu erhalten. Durch die Verwendung von Reduzierstücken können Sie eine sehr präzise Konzentrizität (weniger als 0.003 mm Abweichung) und ein hohes Übertragungsdrehmoment erreichen.
Konstruktionsstruktur verschiedener Reduzierwerkzeughalter: Das Übertragungsdrehmoment hängt von der Konstruktionsstruktur der Spannmittel ab; unterschiedliche Designstrukturen, sie können sehr unterschiedlich sein.
