Hoch

Lassen Sie uns eines gleich zu Beginn klarstellen. Die Teile, die du herstellst, sind mir ziemlich egal. Aber die Chips liegen mir sehr am Herzen, und das sollten Sie auch.

Am Ende eines Bearbeitungsprozesses stehen zwei Dinge: ein fertiges Teil und ein Haufen Späne. Die meisten Leute konzentrieren sich auf das Teil. Ich konzentriere mich auf die Chips.

Es geht nicht darum, widersprüchlich zu sein. Ich glaube, wenn man sehr schnell viele wirklich gute Späne produziert, kann man mit der Bearbeitung von Teilen viel Geld verdienen. Es gibt viel Aufhebens um die Vor- und Nachteile des Hochgeschwindigkeitsfräsens im Vergleich zum Hochvorschubfräsen. Obwohl sie sehr unterschiedlich sind, weisen sie in vielerlei Hinsicht Ähnlichkeiten auf. Aber um es klarzustellen: Es geht immer noch um die Chips.

Welche zwei Dinge braucht man, um einen Chip herzustellen? Hitze und Druck. Beim Metallschneiden handelt es sich um einen Prozess der plastischen Verformung. Durch die Reibung an der Scherzone entsteht Wärme. Die Regulierung der Wärmemenge erfolgt über die Drehzahl des Fräsers. Der Druck wird durch das Futter erzeugt. Es ist wichtig zu beachten, dass die Hitze und der Druck, die erforderlich sind, um das Material plastisch zu verformen und abzuscheren, dieselben Hitze und Druck sind, die zu Werkzeugverschleiß und vorzeitigem Ausfall führen. Wir wollen die Wärme in den Chip leiten, aber zuerst müssen wir einen Chip haben, der dick genug ist, um die Wärme aufzunehmen. Daraus resultieren die hohen Vorschübe beim Hochvorschubfräsen.

Alle Hochvorschubfräser, sowohl Voll- als auch Wendeschneidplattenfräser, haben einen sehr wichtigen Faktor gemeinsam: sehr große Anstellwinkel. Die Schneidkante von Hochvorschubfräsern kann gerade sein oder einen sehr großen Radius haben. Aber so oder so ist der resultierende durchschnittliche Steigungswinkel sehr hoch, normalerweise irgendwo zwischen 78° und 82°.

Welchen Einfluss hat ein hoher Steigungswinkel auf den Chip? Wenn der Anstellwinkel eines Fräsers von 0° (quadratische Schulter) auf 45° oder 75° ansteigt, kommt es zu Problemen mit dem Span. Bei 0° entspricht Ihre Spandicke Ihrem Vorschub pro Zahn. Mit zunehmendem Steigungswinkel nimmt die Spandicke ab. Sie können Ihre tatsächliche Spandicke berechnen, indem Sie Ihren Vorschub IPT (Zoll pro Zahn) mit dem Kosinus des Steigungswinkels multiplizieren. Ein IPT-Vorschub von 0,010 Zoll (0,254 mm) und ein Steigungswinkel von 78° würden also zu einer tatsächlichen Spandicke von 0,002 Zoll (0,0508 mm) führen. Das ist dünn und bei weitem nicht dick genug, um Wärme aufzunehmen. Ihr Vorschub muss immer größer sein als Ihr Kantenvorbereitungsschliff oder Ihre T-Fase, sonst verwandeln Sie Ihren Fräser in ein Stück Schleifpapier. Um mit einem Werkzeug mit 78° Steigungswinkel eine Spandicke von 0,010 Zoll (0,254 mm) zu erreichen, müssen Sie einen IPT von 0,048 Zoll (1,22 mm) programmieren. Das entspricht einer Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit um 385 Prozent, daher der Name Hochvorschubfräsen.

Die hohen Vorschubgeschwindigkeiten, die beim Hochvorschubfräsen erreicht werden, haben allerdings einen Nachteil. Aufgrund der großen Anstellwinkel sind ihre DOC-Fähigkeiten (Schnitttiefe) begrenzt. Die maximalen DOCs liegen bei den meisten Hochvorschubmühlen zwischen einem und zwei Millimetern. Es gibt einige Ausnahmen von dieser Regel bei Wendeschneidplatten, die große IC-Wendeschneidplatten enthalten. Die höheren Kosten solcher Mühlen werden dadurch gerechtfertigt, dass sie drei- bis viermal schneller als normal sein können.

Neben den Produktivitätssteigerungen bietet das Hochvorschubfräsen noch einen weiteren großen Vorteil. Es geht nur um die Kraft.

Eine weitere goldene Regel beim Fräsen ist, dass die Schnittkräfte immer senkrecht zur Schneidkante wirken. Hochvorschubfräser mit einem durchschnittlichen Steigungswinkel zwischen 80° und 82,5° erzeugen beim Fräsen einige der geringsten Radialkräfte. Fast alle Schnittkräfte werden axial nach oben in die Spindel geleitet. Je größer das Verhältnis von Axial- zu Radialkräften ist, desto stabiler ist der Betrieb. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Werkzeugeinrichtung oder Teilekonfiguration eine große Messlänge erfordert. Große Reichweiten und tiefe Kavitäten sind beim Hochvorschubfräsen kein Problem. Messlängen in der Größenordnung von 10:1 (Länge zu Durchmesser) sind üblich, erfordern jedoch möglicherweise eine Mäßigung der Vorschubgeschwindigkeit.

Beim Hochvorschubfräsen sind noch einige andere Anwendungstechniken zu berücksichtigen. Halten Sie den Fräserdurchmesser so weit wie möglich im Schnitt. Dadurch werden die durch den hohen Steigungswinkel erzeugten Axialkräfte ausgeglichen. Wenn die ae (radiale Schnittbreite) abnimmt und sich 50–60 Prozent des Fräserdurchmessers nähert, nimmt die Stabilität ab. Auch bei der Programmierung Ihres Fräserpfades ist Vorsicht geboten. Bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten werden sanfte Übergänge in Richtung der Fräserbahn bevorzugt. Vermeiden Sie unbedingt 90°-Drehungen, da diese zu einem übermäßigen radialen Eingriff führen, was zu hohen Radialkräften und Rattern führt. Programmieren Sie in Ecken einen Bogen oder Radius, der mindestens 50 Prozent größer ist als der Fräserdurchmesser, wenn Sie die Richtung ändern. Denken Sie daran, dass der Übergang von einer geradlinigen Bewegung zu einer Bogenbewegung eine Reduzierung Ihrer Vorschubgeschwindigkeit bedeutet. Im obigen Beispiel würden Sie die Vorschubgeschwindigkeit um 33 Prozent reduzieren.

Die zur Bestimmung der Vorschubkompensation bei Ecken- oder Kreisinterpolation verwendete Formel lautet: ((2 × Bogenradius) – Fräserdurchmesser)) / (2 × Radius).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es beim Hochvorschubfräsen vor allem um die Spanverdünnung geht. Sie müssen die Vorschubgeschwindigkeit erhöhen, um die Spanverdünnung auszugleichen, die durch den großen Anstellwinkel (typischerweise 80° bis 82,5°) entsteht. In den meisten Fällen ist Ihre Vorschubgeschwindigkeit vier- bis fünfmal höher als die Standardvorschubgeschwindigkeit bei Verwendung von Vierkant- oder 45°-Steigungsfräsern. Der große Steigungswinkel schränkt zwar den axialen DOC etwas ein, drückt aber den Großteil der Schnittkräfte axial nach oben in die Spindel, erhöht die Stabilität und ermöglicht die Möglichkeit großer Reichweiten.

Genau wie bei Autorennen muss beim Einfahren in Kurven und beim Ändern der Schneidwegrichtung vorsichtig vorgegangen werden. Verwenden Sie die Vorschubkompensationsberechnung, um Ihre Vorschubgeschwindigkeit zu reduzieren und beim Richtungswechsel glatte Bögen oder Radius-Werkzeugbahnen zu verwenden, um übermäßigen Fräsereingriff und Rattern zu verhindern. Bei richtiger Anwendung ist das Hochvorschubfräsen ein produktiver Metallabtragsprozess und kann bei Anwendungen mit tiefen Kavitäten und großer Reichweite lebensrettend sein.

Wie beim Hochvorschubfräsen bedeutet auch beim Hochgeschwindigkeitsfräsen eine Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit, um die Spanverdünnung auszugleichen, jedoch nicht aufgrund des Anstellwinkels des Werkzeugs. Spanverdünnung beim Hochgeschwindigkeitsfräsen resultiert aus dem begrenzten radialen Eingriff des Fräserdurchmessers in den Schnitt. Beim Drehen hat der Span eine konstante Dicke. Ein Fräser schneidet jedoch auf einem Bogen und nicht auf einer flachen Ebene. Die Spandicke variiert je nachdem, wo sich die Schneidkante im Verhältnis zum Schnittbogen befindet. Wenn ein Fräserdurchmesser vollständig in den Schnitt eingreift, ist die Spandicke beim Ein- und Austritt Null und in der Mitte des Rotationsbogens am größten. Wie bei allen Metallbearbeitungsvorgängen müssen wir die Spandicke kontrollieren und bedenken, dass die Spandicke nicht immer gleich der Vorschubgeschwindigkeit ist.

Wir haben das Konzept der Spanverdünnung erstmals eingeführt, als wir über den Anschnittwinkel gesprochen haben. Mit zunehmendem Steigungswinkel nimmt die Spandicke ab. Bei einem normalen Drehvorgang bleibt die Spandicke gleich, sobald der Spanverdünnungsfaktor für den Steigungswinkel angewendet wird.

Beim Fräsen müssen sowohl die Spanverdünnung für den Anstellwinkel als auch die Spanverdünnung für den radialen Eingriff berücksichtigt werden. Das Ergebnis wird „durchschnittliche Spandicke“ oder hm genannt. Nun, bevor mir irgendwelche Physik-Hauptfächer auf den Leim gehen: hm ist ein physikalischer Begriff, der das Maß des Punktes in der Mitte der Gruppe bedeutet. Durchschnitt ist genau das; der Durchschnitt der gesamten Gruppe. Ich weiß nicht, warum die Metallbearbeitungsindustrie beschlossen hat, beides zu vermischen, aber sie haben es getan, also werde ich die Farce fortsetzen.

Bitte beachten Sie, dass die Spandicke am Anfang, in der Mitte und am Ende der Fräserdrehung im Schnitt Null ist. Der Chip ist auf der Mittellinie am dicksten. Der durchschnittliche hm liegt zwischen der Mittellinie des Schnitts und dem Anfang und Ende des Schnitts.

Warum interessiert uns also die durchschnittliche Spandicke? Denken Sie daran: Was braucht man, um einen Chip herzustellen? Hitze und Druck. Sie möchten, dass die Wärme in den Chip gelangt. Hier kommt die durchschnittliche Spandicke (hm) ins Spiel. Die durchschnittliche Spandicke muss größer sein als die Kantenvorbereitung, T-Fase oder Honen, sonst wird der Fräser wieder zu Sandpapier. Hartmetall schneidet gerne; es reibt nicht gern. Durch das Reiben entstehen unkontrollierbare Reibung und Hitze, die sich negativ auf die Lebensdauer Ihres Werkzeugs auswirken. Hier kommt die Gleichung für den Vorschub pro Zahn ins Spiel: fz = hm × √(D1/ae) × cos(K).

Diese Gleichung sieht schwierig aus, ist es aber nicht – und sie macht den entscheidenden Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg.

Der Schlüssel zum Hochvorschubfräsen liegt im Verständnis der Beziehung zwischen dem radialen Eingriff (ae) des Werkzeugs und seinem Einfluss auf die durchschnittliche Spandicke (hm) und die programmierte Vorschubgeschwindigkeit pro Zahn oder Nut fz. Da der radiale Eingriff des Fräserdurchmessers abnimmt, muss die programmierte Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, um die auftretende radiale Spanverdünnung auszugleichen. Mithilfe der Formel können Sie die programmierte Vorschubgeschwindigkeit fz berechnen, die pro Spannut oder Wendeschneidplatte erforderlich ist, um die gewünschte durchschnittliche Spandicke (hm) zu erreichen. Die meisten Hersteller von Schneidwerkzeugen geben sowohl den fz-Wert (Vorschub pro Zahn) als auch den hm-Wert an, basierend auf der Größe und Form der Kantenvorbereitung für das jeweilige Werkzeug. Sobald Sie die erforderliche Vorschubgeschwindigkeit pro Nut oder Wendeschneidplatte berechnet haben, ist die Berechnung des Tischwegs in IPM (Zoll pro Minute) ganz einfach. In den meisten Fällen ist die IPM-Vorschubgeschwindigkeit mehr als vier- bis fünfmal schneller als die Standardvorschubgeschwindigkeit.

Beim Hochvorschubfräsen ist die hohe Vorschubgeschwindigkeit mit einer hohen axialen Schnitttiefe und spezifischen Fräserbahnstrategien verbunden, um hohe Zerspanungsraten zu erzielen. Die höhere axiale Schnitttiefe ist aufgrund der geringeren Radialkräfte möglich, die durch den geringeren Radialeingriff entstehen. Typischerweise sind die axialen Tiefen größer als das Zweifache des Durchmessers und bis zum Sechsfachen des Durchmessers sind erreichbar. Radialkräfte können durch die Verwendung eines höheren Spiralwinkels weiter reduziert werden, wodurch ein größerer Teil der Schnittkraft in die Spindel geleitet wird. Bei der höheren axialen Schnitttiefe stellt die Spanabfuhr kein Problem dar, da die Späne nicht wie bei einem höheren radialen Eingriff in die Spannut gedrängt werden. Die einfache Spanabfuhr ermöglicht auch die Verwendung von Werkzeugen mit mehr Spannuten oder Einsätzen, was zu noch höheren Vorschubgeschwindigkeiten führt. Werkzeuge mit mehr Spannuten und Einsätzen haben typischerweise größere Kerndurchmesser aufgrund kleiner Spanräume oder Spannutenräume, was die Steifigkeit, Steifigkeit und Stabilität weiter verbessert.

Zusätzlich zu diesen Vorteilen reduziert das Hochgeschwindigkeitsfräsen auch die Menge an Wärme, die in das Werkzeug und das Teil übertragen wird, was die Standzeit des Werkzeugs verlängert und die Möglichkeit einer Kaltverfestigung des Teils verringert. Es ist kontraintuitiv; Wenn Sie hohe Geschwindigkeit hören, denken Sie an große Hitze. Stimmt hier nicht. Bei einer Vollnutanwendung greift der gesamte Durchmesser des Fräsers in das Werkstück ein oder der Fräser hat einen vollständigen Eingriffsbogen von 180°. Dieser hohe Eingriffsbogen bedeutet, dass die Schneidkante über einen längeren Zeitraum in den Schnitt eingreift und dadurch mehr Wärme erzeugt. Mit abnehmender Radial- oder Eingriffsbogenlänge verringert sich auch die Zeit, die jede Schneidkante mit dem Werkstück in Kontakt steht. Dadurch entsteht weniger Wärme und die Schneidkante hat mehr Zeit zum Abkühlen zwischen den Schnitten.

Diese Reduzierung der Wärme hat mehrere Vorteile. Es verhindert die Kaltverfestigung von Stählen mit hohem Kohlenstoffgehalt und rostfreien Stählen und reduziert die Wärmeübertragung zurück in das Werkzeug bei der Bearbeitung von hochschmelzenden Metallen und Superlegierungen. Fazit: Es erhöht die Standzeit des Werkzeugs. Was ist der Haken bei all diesen positiven Ergebnissen?

Es gibt keinen wirklichen Haken, aber es gibt Grundprinzipien, die befolgt werden müssen. Die Steifigkeit des gesamten Bearbeitungsmechanismus: Maschine, Spindel, Halter, Vorrichtung usw. ist immer wichtig. Das Aufrechterhalten einer konstanten Belastung des Werkzeugs ist von entscheidender Bedeutung und erfordert spezifische Werkzeugwege – keine plötzlichen, abrupten Richtungsänderungen.

Trochoidales Fräsen, dynamisches Fräsen, volumetrisches Fräsen oder Scheibenfräsen sind einige Fräserbahnstrategien, die von modernster CAD/CAM-Software unterstützt werden und die Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hohem Vorschub unterstützen. In vielen Fällen ist eine Kombination mehrerer Strategien erforderlich, um das Teil fertigzustellen.

Denken Sie daran: Je mehr Späne auf dem Boden liegen, desto mehr Teile kommen heraus!

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