Neue Technologie ermöglicht Produktivitätssteigerungen beim Wendeplattenfräsen

Viele der jüngsten Fortschritte in der hart umkämpften Welt der indexierbaren Werkzeuge scheinen inkrementell zu sein. Die Details anderer werden geheim gehalten. Da die Auswahl von Schneidwerkzeugen jedoch große Auswirkungen auf die Produktivität haben kann, lohnt es sich immer, die Experten zu fragen, was es Neues gibt.

Beginnen wir mit der uralten Frage der Entscheidung zwischen Wendeschneidplatten- und Vollhartmetallfräsern. Die ersten Überlegungen lauten, wie Luke Pollock, Produktmanager bei Walter USA, Waukesha, Wisconsin, es ausdrückt: „Wie viel Material muss entfernt werden und wie viel Arbeitsraum steht Ihnen zur Verfügung? … Wenn Sie Platz und eine große Menge haben.“ Da ich viel Material entfernen muss, bin ich definitiv der Meinung, dass Wendeschneidwerkzeuge der viel bessere Weg sind. Bei kleinen Bauteilen kommen bei den ersten Arbeitsgängen sogar Wendeschneidwerkzeuge zum Einsatz, nur um die Materialabtragsrate aufgrund der Größe und Zähnezahl des Werkzeugs zu erhöhen.“

Dan Tucker, Manager der Produktmanagementgruppe und Frässpezialist für den Westen der USA bei Sandvik Coromant, Fair Lawn, NJ, bezifferte den Kompromiss, indem er sagte, dass Vollhartmetall Fräswerkzeuge mit Wendeschneidplatten für Durchmesser von 5/8 Zoll (15,88 mm) übertrifft unten und „Sie könnten sogar argumentieren, dass Vollhartmetall mit einem Durchmesser von ¾" [19,05 mm] die Produktivität mit Wendeschneidplatten übertreffen könnte. Es ist oft schwierig, genügend Wendeschneidplatten in ein kleineres Werkzeug zu bekommen, um mithalten zu können, nicht nur hinsichtlich der Anzahl, die in den Fräser eingesetzt wird, sondern auch hinsichtlich der Länge der Wendeschneidplatten, um mit Vollhartmetall mithalten zu können.“ Tuckers Kollege Joe DeRoss, Frässpezialist für den Osten der USA, sagte, es gebe seltene Fälle, in denen es kostengünstiger sei, mit einem Wendeschneidwerkzeug mit kleinem Durchmesser zu schruppen, auch wenn dieses weniger Zähne hätte als ein Vollwerkzeug derselben Größe . Das liegt daran, dass es (zumindest aus Werkzeugsicht) kostengünstiger ist, Material mit einem Wendeschneidplattenfräser mit zwei Schneiden herauszuschneiden und dann die Wendeschneidplatten auszutauschen, wenn diese abgenutzt sind.

Aus anwendungstechnischer Sicht sagte Edwin Tonne, Schulungs- und Technikspezialist bei Horn USA Inc., Franklin, Tennessee, dass Schlitzfräsen oder Scheibenfräsen (Planfräsen) die besten Beispiele dafür seien, dass Wendeschneidplatten gegenüber Vollwerkzeugen schlagen. „Ein weiteres Beispiel wäre das Planfräsen in kleineren geschlossenen Taschen. Mit der Minifräse Horn 304 kann der Boden einer tieferen Tasche bearbeitet werden, ohne dass die Kosten für ein längeres Vollhartmetallwerkzeug anfallen“, sagte er.

Für DeRoss von Sandvik Coromant ist der ausschlaggebende Faktor bei der Wahl eines Vollhartmetallwerkzeugs gegenüber einem Wendeschneidplattenwerkzeug die Notwendigkeit, eine hervorragende Oberflächengüte zu erzielen. Wiper-Wendeschneidplatten können zu einem Wendeschneidwerkzeug hinzugefügt werden, um die Oberflächengüte zu verbessern. DeRoss sagte jedoch, dass die einzige Möglichkeit, mit der höheren Nutanzahl des Vollwerkzeugs zu konkurrieren, darin bestehe, den Prozess zu verlangsamen. Pollock erklärte, dass ein Wendeschneidwerkzeug seiner Natur nach nie eine so perfekte durchgehende Schneidkante bieten werde wie ein Vollwerkzeug. „Auch wenn ein indexierbares Werkzeug mit langer Schneide gut ausgerichtet sein kann, vielleicht sogar bis zu dem Punkt, an dem man keine Maßlinie mehr spürt, gibt es fast immer eine Maßlinie. … Da es sich bei einem indexierbaren Werkzeug um eine Baugruppe handelt, wird es immer eine kleine Abweichung geben. Es besteht aus Einsätzen, die in einen Stahlkörper eingesetzt sind. Es wird nie eine Tasche an der perfekten Stelle geben, und Sie werden nie in der Lage sein, den Einsatz auf die exakte Größe zu schleifen. Es wird immer einen kleinen Stapel geben. Bei soliden Werkzeugen ist das nicht der Fall.“

Das heißt nicht, dass die Werkzeughersteller nicht versuchen, diese Toleranzen zu verschärfen. Tucker sagte, Sandvik Coromant sei das erste Unternehmen gewesen, das die Körper in gehärtetem Zustand bearbeitet habe, wodurch ein „viel genauerer Fräser“ entstanden sei (im Gegensatz zu einer Wärmebehandlung nach dem Schneiden der Taschen). Er fügte hinzu, dass Sandvik Coromant einen Rundlauffehler von 0,0005 Zoll (0,0127 mm) für die Taschen anstrebt und nun nach neuen Materialien und anderen Verfahren sucht, um engere Toleranzen zu erreichen. Was bei der Montage des Fräsers in der Werkstatt erreichbar ist, „hängt davon ab“, sagte er sagte. Um diese Toleranz annähernd einzuhalten, wären beispielsweise geschliffene Wendeschneidplatten erforderlich. Darüber hinaus sollten sie alle aus derselben Charge stammen. Wenn es sich jedoch um ein wirklich indexierbares Werkzeug handelt und zufällig ausgewählte Produktionseinsätze verwendet werden, „Sie“ Bei geschliffenen Einsätzen rechnen wir wahrscheinlich mit fünf Zehnteln bis einem Tausend von Einsatz zu Einsatz“, sagte Tucker.

„Wenn der Umfang der Wendeschneidplatte nicht geschliffen ist“, fügte Pollock von Walter USA hinzu, „liegt die Abweichung in der Größenordnung von ±0,001-0,0015" [0,0254-0,0381 mm]. Dies könnte zu einem Gesamtschlag von bis zu 0,003 führen [0,0762]“ im extremsten Fall.“

„Indexierbar“ muss nicht „einfach“ oder „Standard“ bedeuten. „Früher erforderte das Verzahnungsfräsen beispielsweise spezielle Wälzfräsmaschinen“, stellte Tonne von Horn USA fest. Aber Fortschritte sowohl in der CAM-Software als auch in der Schneidwerkzeugtechnologie haben die Produktion „selbst der komplexesten Zahnradformen und Keilverzahnungen auf Standarddrehmaschinen mit C-Achsen-Synchronisation“ ermöglicht. Aufgrund dieser Fortschritte produziert Horn auch Wälzschälwerkzeuge auf einer indexierbaren Plattform.“ DeRoss erwähnte die Wendeschneidplattenfräser von Sandvik Coromant für Turbinenfußformen. Sie fertigen auch spezielle Tulpenfräser sowohl aus Wendeschneidplatten als auch aus Vollhartmetall für die entsprechende Form im Ring, in den die Klingen einrasten. Eine weitere große Anwendung für spezielle Wendeschneidwerkzeuge sind Eisenbahnschienen, die eine abgerundete Kante haben.

Pollock nannte maßgeschneiderte Wendeplattenformen für die Kurbelwellenbearbeitung. „Es handelt sich um eine der teuersten Komponenten in einem Verbrennungsmotor und für deren Bearbeitung werden viele Einsätze benötigt, daher erhält dieser Bereich große Aufmerksamkeit.“ Sowohl die Form der Wendeschneidplatte als auch die Geometrie auf der Fläche seien von entscheidender Bedeutung, erklärte Pollock, „um Kohlenstoffstahl zu bearbeiten, der einen langen Span erzeugt, und um ihn kontrollieren zu können.“ Er fügte hinzu, dass die Fähigkeit, einzigartige Einsatzformen zu pressen und sie im Sinterprozess innerhalb enger Toleranzen zu halten, „wahrscheinlich die größte Innovation“ bei der Entwicklung dieser Formwerkzeuge sei. „Schon im Sinterofen sind die Toleranzen gut genug. Sie müssen nicht zurückkommen und sie schleifen, wodurch komplexe Geometrien besser möglich sind. Wenn es geschliffen werden müsste, wären die Formen, die hergestellt werden könnten, eher begrenzt.“

Walter USA stellt auch einen Wendeschneidplatten-Gewindefräser mit Spezialeinsätzen her. (Für einen Durchmesser von 7/8" [22,23 mm] und darunter ergibt sich auch eine Vollhartmetallversion des Werkzeugs.) Laut Pollock schneidet die Konstruktion den Span und faltet ihn in sich selbst, so dass er sich vom Material löst. Das Das Werkzeug verfügt über eine mehrreihige Anordnung, die mehrere Umdrehungen erfordert, um ein vollständiges Gewinde zu schneiden, erklärte Pollock. „Je nach Gewindesteigung kann es bis zu vier oder fünf Umdrehungen dauern, bis das vollständige Gewinde erstellt ist. Es entstehen jedoch geringere Eingriffskräfte.“ Dank unseres Designs können wir das Werkzeug schneller zuführen, und wir können die Zykluszeit sogar noch schneller verkürzen als Gewindebohrer. Normalerweise erwartet man beim Wechsel vom Gewindeschneiden zum Gewindefräsen eine verbesserte Gewindequalität, eine längere Werkzeuglebensdauer, und verbesserte Kosten pro Teil. Das bedeutet aber auch, dass Sie die Zykluszeit opfern müssen, da das Gewindefräsen normalerweise etwas länger dauert. Nicht mit diesem Werkzeug.“

Wann sollten Sie ein auf Ihre individuelle Situation zugeschnittenes Tool in Betracht ziehen? Tucker von Sandvik Coromant antwortete: „Wenn die Anzahl der Teile und der ROI Sinn machen.“ … Oder wenn es eine Funktion an einem Teil gibt, die mit einem Standardwerkzeug nicht bearbeitet werden kann.“ Tonne sagte, dass ein großer Prozentsatz der Verkäufe von Horn auf Bestellung oder kundenspezifische Lösungen erfolgt und die folgenden Kriterien anbot: „Wenn die Komplexität oder Merkmale des Teils engere Toleranzen aufweisen, als eine Werkzeugmaschine verarbeiten kann.“ Wenn beispielsweise der Nutabstand innerhalb von Mikrometern liegen muss und die Werkzeugmaschine aufgrund verschlissener Innenteile Fehler aufweist, wäre eine kundenspezifische Lösung eine gute Wahl. Wenn die Programmierung eines Merkmals zu komplex wird, wäre eine maßgeschneiderte Lösung mit Wendeplatten eine gute Option, [wie es auch der Fall wäre], wenn Vorgänge gleichzeitig ausgeführt werden können, wie z. B. Anfasen, Profilfräsen und Nutfräsen.“

Beschichtungen bleiben ein Schlüsselfaktor für die Verbesserung der Haltbarkeit sowohl der Wendeschneidplatte als auch des Werkzeugkörpers. Die „geheime Soße“, mit der die OEMs die neuesten Beschichtungen erzielen, bleibt genau das: proprietär und verborgen. Sandvik Coromant hat eine neue Version seiner Inveio-Beschichtung herausgebracht, die das CVD-Verfahren nutzt, das laut Tucker „auf molekularer Ebene“ gesteuert werden kann, sodass die mehreren Schichten in gleichmäßigen Säulen stehen. „Wir haben die konsistente Ausrichtung der Breite und Länge jeder Ebene wirklich gemeistert. … Und wir erzielen eine deutliche Verlängerung der Werkzeugstandzeit und einen gleichmäßigeren Verschleiß entlang der Schneidkante der Wendeschneidplatte.“ Auf der Website von Sandvik Coromant erfahren Sie nicht, woraus die Beschichtung besteht, aber Tucker berichtete, dass es sich um TiAlN handelt.

Sandvik Coromant hat mit Zertivo auch eine PVD-Beschichtung auf den Markt gebracht, die dem gleichen Prinzip folgt. Auch hier sagte Tucker, der Unterscheidungsfaktor sei die Fähigkeit von Sandvik Coromant, „auf der Mikro- oder Nanoebene der Kantenlinie eine höhere Festigkeit zu erzielen“. Wir sind in der Lage, starke Partikel an die Randlinie zu bringen, wo wir sie brauchen, und anderes Material dahinter zu halten, wo wir Zähigkeit brauchen.“ Er betonte außerdem, dass 90 Prozent der Beschichtungen des Unternehmens intern mit speziellen Verfahren durchgeführt werden und eine geheime Kantenvorbereitung beinhalten.

Walter USA hat seinerseits ein Ultra-Niederdruck-CVD-Beschichtungsverfahren entwickelt, das es laut Pollock ermöglicht, „mehr Aluminium in eine Titanaluminiumnitrid-Beschichtung zu bringen“. Wir empfehlen zum Fräsen oft Titanaluminiumnitrid, da es sehr zäh und sehr dünn ist und daher Unterbrechungen beim Fräsen sehr gut übersteht. Aber wenn man dem Titanaluminiumnitrid mehr Aluminium beifügt, kann man viel schneller laufen, denn Aluminium ist der Teil, der der Hitze widersteht. Es kann viel mehr Hitze aushalten als ein Aluminiumoxid-Einsatz, ist aber aufgrund des Titans nicht so zerbrechlich wie diese Beschichtung.“ Er beschrieb den Ansatz als eine Mischung, die es schafft, die Vorteile sowohl einer PVD-Titan-Aluminiumnitrid-Beschichtung als auch einer CVD-Aluminiumoxid-Beschichtung zu erzielen. Es waren Umbauten am Ofen nötig, aber viel mehr verrät Walter natürlich nicht, außer dem Namen: Tiger-tec Gold.

Pollock sagte, Walter USA habe außerdem eine einzigartige Beschichtung für seine Werkzeugkörper eingeführt, „um den Stahl zu schützen und Späneauswaschungen zu vermeiden“. Er sagte, die Industrie sei im Allgemeinen vom einfachen Einsatzhärten und Durchhärten zu einem Dampfoxidverfahren übergegangen, das eine schwarze Oberfläche erzeugte, die den Rost kontrollierte, und zur Vernickelung, die eine flache Silberoptik erzeugte. „Jetzt scheint sich die Branche wieder in Richtung Schwarz zu bewegen. Aber bei uns handelt es sich nicht nur um das Dampfoxidverfahren; Es handelt sich um eine echte Beschichtung, die noch härter und verschleißfester ist und Walter BLAXX heißt.“ Tucker neckte, dass Sandvik Coromant im Oktober 2022 einen neuen Fräserkörper einführen wird, der eine achtmal längere Lebensdauer als die derzeit verwendeten Materialien hat.

Martin Dillaman, Manager für Anwendungstechnik/Projektmanager bei Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvania, stellte fest, dass verbesserte CAM-Software viel zur Verbesserung der Werkzeugstandzeit beigetragen hat. „Der verstärkte Fokus auf die Aufrechterhaltung einer konstanten Spandicke trägt zu einer längeren Werkzeuglebensdauer und einem kontrollierten Verschleiß über die gesamte Länge des Werkzeugs bei. Das ist hilfreich, unabhängig davon, ob es sich um indexierbare oder solide Werkzeuge handelt.“

Dillaman sagte, Greenleaf habe sich auch auf die Entwicklung von Einsatzwerkzeugen mit Kühlmittelleitungen konzentriert, um die Lebensdauer zu verlängern. „Ob es für flüssiges oder luftiges Kühlmittel verwendet wird, Sie benötigen einen kontrollierten Fluss zur Schneidkante, um die Ansammlung von Spänen zu verhindern und um die Späne aus dem Bereich abzuleiten, durch den die nächste Wendeschneidplatte zum Schneiden hindurchkommt. Dies verhindert ein mögliches Nachschneiden oder Ansammeln von Spänen in den Spannuten und verbessert die Gesamtleistung und das Finish.“

Keramikwerkzeuge machen einen großen Teil des Geschäfts von Greenleaf aus. Für diese Werkzeuge wird aufgrund des Thermoschocks und der daraus resultierenden Verkürzung der Werkzeuglebensdauer keine Flüssigkeitskühlung empfohlen. Interessanterweise hat Greenleaf bei seinen Tests keine Notwendigkeit festgestellt, Werkzeughalter für Luftkühlmittel anders zu konstruieren als für Flüssigkühlmittel. Viele seiner Halter können entweder Keramik- oder Hartmetalleinsätze verwenden.

Aber nicht jeder glaubt, dass Kühlmittel immer oder sogar oft benötigt wird, und Hochdruckkühlmittel (700–1.000 psi) scheinen umstritten zu sein. Nach Meinung von Pollock ist Hochdruckkühlmittel beim Schleifen und Drehen nützlich, wird beim Fräsen jedoch nicht benötigt. Hochdruckpumpen „bringen starke Vibrationen in den Schnitt“, ganz zu schweigen davon, dass sie „wie eine Todesfee schreien“, wenn sie laufen. Tatsächlich, so Pollock, „gibt es Materialien, bei denen wir lieber kein Kühlmittel verwenden.“ Kohlenstoffstahl ist einer davon. Wir schneiden es viel lieber trocken. Wenn wir eine Späneabsaugung benötigen, versuchen wir möglicherweise, etwas Luft hineinzubekommen.“ Und wenn das Material ein flüssiges Kühlmittel wie Titan, Inconel, Edelstahl oder Aluminium erfordert, reicht ein Niederdruck-Kühlmittel aus.

Andererseits sagte Tonne: „Hochdruckkühlmittel sind immer häufiger anzutreffen, da jedem Fräser immer mehr Plattensitze hinzugefügt werden.“ Wenn Sie einen Fräser mit 20 Taschen haben, müssen der Eingangsdruck und die Kühlmittelmenge hoch genug sein, um jede Tasche zu versorgen. Tangentialfrässysteme wie die 610-, 406- und 409-Systeme von Horn sind ebenfalls ein Grund dafür, dass Hochdruckkühlmittel vorteilhaft sind. Der starke Kern, die hohen Vorschubgeschwindigkeiten und die kleineren Spannuten von Tangentialfräsern erfordern Volumen und Druck, um die Späne abzutransportieren. Beim Schlitzen und Profilieren schwer zerspanbarer Legierungen sind die Kühl- und Spanabfuhrfähigkeiten von Hochdruckkühlmittel erforderlich.

„Ein Standardkühlmittelsystem einer typischen Maschine könnte im Bereich von 80 bis 200 psi liegen“, fuhr er fort. „Für jeden Kühlmittelauslass wird der Taschendruck aufgeteilt. Für ein 100-psi-System und einen 20-Taschen-Fräser bedeutet das, dass der Ausgangsdruck für jeden Kühlmittelausgang etwa 5 psi beträgt. Es gibt keine magische Zahl für jede Anwendung, aber mehr ist definitiv besser.“

Die Beschleunigung der Einrichtung erhöht die Effizienz und es gab Verbesserungen an den Rändern. DeRoss sagte, dass Sandvik Coromant jetzt bei einigen seiner Fräser größere Schrauben verwendet, weil „manchmal die kleineren Schrauben schwer zu handhaben sind.“ Nach dem Gebrauch kann es passieren, dass sie im Schneidmesser stecken bleiben. Die größeren Schrauben lassen sich also etwas einfacher entfernen.“

Dillaman wies darauf hin, dass Greenleaf typischerweise eine runde Geometrie verwendet, „aufgrund der Stärke der Wendeschneidplatte und der Spanverdünnungsfähigkeit dieser Form beim Fräsen.“ Außerdem ermöglicht es ein schnelleres und einfacheres Indexieren der Wendeschneidplatten, da Sie die Schraube lösen und durch einfaches Drehen der Wendeschneidplatte zur nächsten guten Kante weiterschalten können. Egal, ob Sie sich um 20° oder bis zu 90° drehen, es ist nur eine einfache Drehung, verriegeln Sie es wieder und schon kann es losgehen.“ Und wie bereits erwähnt, bietet Greenleaf sowohl Keramik- als auch Hartmetalleinsätze sowie Werkzeughalter an, die für beide geeignet sind. „Auf diese Weise könnten Sie denselben Fräser verwenden, insbesondere in Lohnfertigungsbetrieben oder an Orten, an denen zwischen mehreren Materialien und unterschiedlichen Härten gearbeitet wird. Ein Fräser könnte mit verschiedenen Sorten verwendet werden, egal ob Hartmetall oder Keramik.“

Greenleaf bietet auch eine Werkzeugfamilie mit indexierbaren Nestern für die Wendeschneidplatten an. Dillaman erklärte, dass sie als C4- und CP4-Fräser bezeichnet werden und dem Benutzer den einfachen Wechsel zwischen völlig unterschiedlichen Wendeplattengeometrien ermöglichen. „Ob es sich um eine runde Wendeplatte, eine quadratische oder eine 80°-Diamante handelt, Sie können die Nester je nach Geometrie des zu bearbeitenden Teils austauschen.“

Tucker und DeRoss betonten den Vorteil von Schnellwechsel-Werkzeughaltern wie dem Coromant Capto, die sich sicher und mit hoher Wiederholgenauigkeit in die Spindel integrieren lassen. Die Capto-Schnittstelle ist inzwischen patentfrei und verschiedene Anbieter bieten zahlreiche Erweiterungs- und Reduzierungsadapter sowie Anpassungen an andere Maschinenschnittstellen an. DeRoss berichtete, dass etwa drei Viertel aller neuen Multitasking- und Multifunktionsmaschinen mit B-Achsen-Kopf mittlerweile mit einer Capto-Spindel ausgestattet sind.

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