Werkzeughaltung: Auf Geschwindigkeit ausgelegt

Es wird immer schwieriger, sich an die Zeiten zu erinnern, in denen die Bearbeitung mit langsamen Geschwindigkeiten und geringen Schnitttiefen durchgeführt wurde. Heutzutage sind Maschinenwerkstätten aller Art, nicht nur diejenigen, die mit High-Tech-Legierungen auf mehrachsigen autonomen Bearbeitungszentren arbeiten, auf Geschwindigkeit ausgerichtet.

Dabei geht es nicht nur um Geschwindigkeit um der Geschwindigkeit willen. Ziel ist es, mehr Gutteile profitabler und sicherer zu produzieren. Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) ist ein Mittel, um dieses Ziel zu erreichen, indem die Schnittkräfte reduziert, die Zerspanungsraten erhöht, die Wärmeableitung verbessert und bessere Oberflächengüten erzielt werden.

Manufacturing Engineering hat eine Reihe von Branchenexperten befragt, um ihre Ansichten zu HSM mit besonderem Schwerpunkt auf der Werkzeughaltung einzuholen. Eines wurde in unserer Diskussion deutlich: Die Hochgeschwindigkeitsentwicklung wird sich fortsetzen, wobei der Werkzeughalter eine entscheidende Rolle spielt.

Um den größtmöglichen Nutzen aus HSM zu ziehen, müssen viele Technologien zusammengeführt werden. „Wenn Sie zu einem HSM-Betrieb wechseln, ändert sich Ihre Mentalität schnell“, sagte Chris Herdman, technischer Außendiensttechniker bei Rego-Fix Tool Corp., Whitestown, Indiana. „Sie müssen sich der Verknüpfung von Bearbeitungszentrum, Programmierung, Hochgeschwindigkeitsspindeln, fortschrittliche Schneidwerkzeuge, Auswuchten und Hochleistungswerkzeughalter, um die Vorteile von HSM voll auszuschöpfen.“

Die metallverarbeitende Industrie führte HSM erstmals in den 1990er Jahren ein. Der Begriff „Hochgeschwindigkeit“ bedeutet für verschiedene Geschäfte unterschiedliche Bedeutungen.

„Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist eine Strategie mit hoher Drehzahl und hohem Vorschub, aber mit geringer Schnitttiefe“, sagte Brendt Holden, Präsident von Haimer USA LLC, Villa Park, Illinois. „Selbst bei einer geringeren Schnitttiefe erhöht sich bei diesen höheren Geschwindigkeiten und Vorschüben tatsächlich die Materialabtragsrate, was das ultimative Ziel darstellt, da es den Werkstätten ermöglicht, Teile schneller herzustellen.“

Obwohl es keine konkrete Grenzlinie für die Drehzahl gibt, waren sich unsere Experten einig, dass Spindeldrehzahlen im Bereich von 15.000 bis 30.000 U/min definitiv Hochgeschwindigkeitsdrehzahlen sind. Tatsächlich hat Herdman von Rego-Fix auf Werkzeughalter hingewiesen, die im Bereich von 120.000 U/min in speziellen medizinischen und elektronischen Anwendungen betrieben werden. „Was wir heute als Hochgeschwindigkeit betrachten, sind weniger starre, vier- und fünfachsige Maschinen, die mit 12.000 U/min oder mehr arbeiten“, sagte Herdman. „Bei den Anwendungen handelt es sich um einen geringen Radialschnitt, eine hohe Zähnezahl und einen hohen Vorschub, und die meisten von ihnen nutzen eine Art dynamische Frässoftware.“

Matt Goss, Anwendungsingenieur/Projektentwicklung bei Greenleaf Corp., Saegertown, Pennsylvania, sagte, sein Unternehmen betrachte hohe Geschwindigkeit als eine Kombination aus zwei Faktoren: hoher Spindelgeschwindigkeit und hoher Vorschubgeschwindigkeit. „Dies führt zu einer hohen Vorschubgeschwindigkeit (ipm), die nicht nur dazu beiträgt, die Menge des entfernten Materials zu maximieren, sondern auch zu kürzeren Zykluszeiten führt.“

Preben Hansen, Präsident von Platinum Tooling Technologies Inc., Prospect Heights, Illinois, sagte, dass die Werkstätten mit steigenden Spindeldrehzahlen über 20.000 U/min beginnen, die Arbeit etwas anders anzugehen. „Möglicherweise wird bei jeder Umdrehung des Werkzeugs nicht so viel Material entnommen, aber die Vorschubraten sind in der Regel höher“, sagte er.

Mit zunehmender Geschwindigkeit besteht auch die Möglichkeit ernsthafter Probleme mit dem Gleichgewicht und der Genauigkeit. Laut Dan Doiron, Fräsproduktmanager bei Emuge Corp., West Boylston, Massachusetts, ist ein perfekt ausbalancierter Werkzeughalter in der Spindel unerlässlich. „Selbst geringfügige Schwankungen verringern die Wiederholgenauigkeit, verkürzen die Werkzeuglebensdauer und beschädigen möglicherweise Werkstücke.“ Da in jede Komponente Zeit und Geld investiert wird, ist ein Verrutschen oder Herausziehen eines Schneidwerkzeugs aufgrund der Verwendung des falschen Werkzeughalters keine Option.“

Herkömmliche Spannfutter (z. B. ER-Spannzangenhalter und Weldon-Flächen) geraten leicht an ihre Grenzen und man kann sich in der HSM-Umgebung normalerweise nicht darauf verlassen, dass sie zuverlässig funktionieren. „ER-Spannzangen weisen bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen eine schwache Spannkraft und einen schwachen Rundlauf auf, und Spannfutter mit Seitenverriegelung weisen einen schwachen Rundlauf und eine schwache Dämpfung auf“, sagte Doiron.

Bei jeder Drehzahl wirkt auf die Spindel eine Zentrifugalkraft. Bei hoher Drehzahl reicht die Zentrifugalkraft aus, um die Spindelbohrung leicht zu vergrößern. „Diese Erweiterung kann Steilkegelwerkzeuge (CAT, BT, SK usw.) in die Spindel ziehen, was zu einer Änderung der Z-Achsen-Abmessung führt“, sagte Holden von Haimer. „Im Gegensatz dazu wachsen Werkzeuge mit Hohlschaftkegel (HSK) bei hohen Drehzahlen mit der Spindel mit, behalten den Flächenkontakt bei und eliminieren die Bewegung der Z-Achse.“

Herdman von Rego-Fix stellte fest, dass Vibrationen schnell verstärkt werden, wenn sich die Werkzeuge schneller drehen. „Bei den meisten HSM-Anwendungen ist es erforderlich, auf steile Kegel zu verzichten“, sagte er. „Aus diesem Grund sind Werkzeughalter im HSK- und Capto-Stil die beste Wahl.“

Bei den neueren und exotischeren Keramikschneidern, die mit extrem hohen Geschwindigkeiten arbeiten, wird Hitze zum Problem. Die beim Schnitt entstehende Wärme kann in den Werkzeughalter übertragen werden, was die Halteintegrität beeinträchtigen kann. „Dies kann zu Vibrationen während des Bearbeitungsprozesses und schließlich zum Herausziehen des Werkzeugs führen“, sagte Goss von Greenleaf.

Eine weitere Herausforderung im Zusammenhang mit HSM ist laut Holden die Aufrechterhaltung der Spindellebensdauer. „Die Spindeln sind nicht sehr massiv und die Auswirkungen der Unwucht auf die Spindellager sind besorgniserregend“, sagte er. „Dies hat zur Entwicklung vorgewuchteter Werkzeughalter ohne bewegliche Teile oder zusätzliches Zubehör geführt.“

Laut Kyle Matsumoto, Produktingenieur II bei OSG USA Inc., St. Charles, Illinois, gibt es in der Welt des Gewindeschneidens besondere Herausforderungen für die Werkzeughaltung, wenn es um Hochgeschwindigkeitsvorgänge geht. „Synchronisation ist beim Gewindeschneiden von entscheidender Bedeutung und Fehler können im Hinblick auf Qualität und Werkzeuglebensdauer sehr problematisch sein“, sagte Matsumoto. Die Fehler treten an zwei Punkten auf: am Anfang des Zyklus, wenn der Gewindebohrer beginnt, sich zu drehen, und an dem Punkt, an dem der Gewindebohrer von der Vorwärtsbewegung in die Rückzugsbewegung übergeht. „Wenn der Gewindebohrer seine Zieldrehzahl nicht erreicht, bevor er das Material berührt, und/oder wenn er mit dem Rückzug beginnt, bevor er die Zieldrehzahl erreicht, können die zusätzlich erzeugten Schubkräfte die Gewindequalität und die Standzeit des Werkzeugs verringern oder sogar zum Bruch führen.“ Werkzeug“, sagte Matsumoto.

In Situationen, in denen ein Teil aus Vollmaterial hergestellt wird und komplexe Profile und Schlitze aufweist, kann HSM durch Wirbelfräsen eine produktive Schruppbearbeitung mit geringer Belastung ermöglichen. Diese Technik erzeugt auf einem programmierten Werkzeugweg einen Schlitz, der breiter als der Schneiddurchmesser des Werkzeugs ist und eine geringe radiale Schnitttiefe und eine hohe axiale Schnitttiefe beibehält und dabei die gesamte Länge der Schneidkante nutzt. Dadurch wird das Teil seiner endgültigen Form sehr nahe gebracht.

„Beim Trochoidenfräsen ist die Spannkraft aufgrund der langen Werkzeuge (bis zu 5×D) und der Anzahl der Spannuten (bis zu sieben) am Schaftfräser äußerst wichtig“, sagte Doiron von Emuge. Er warnte davor, sich bei trochoidalen Anwendungen vollständig auf reibschlüssige Werkzeughalter zu verlassen. „Ein hohes Haltemoment allein garantiert keinen Ausreißschutz“, sagte er. „Die unglaublichen Schnittkräfte, die durch schnellere Maschinenspindeln und aggressive Werkzeugwegstrategien erzeugt werden, haben die Grenzen selbst der besten Reibschluss-Spannsysteme deutlich gemacht.“

Holden erweiterte diesen Gedanken. „Die Herausforderung bestand darin, das Schneidwerkzeug mit kraftschlüssigen Systemen (Schrumpffräsfutter, Hochpräzisions-Spannzangenfutter, hydraulische Spannfutter, Press-Fit-Spannzangensysteme usw.) im Halter zu sichern“, sagte er. „Ohne Formschluss kann sich das Schneidwerkzeug im Werkzeughalter drehen und schließlich aus dem Spannfutter ziehen. Es gab Fälle, in denen der Bediener das Herausziehen des Werkzeugs erst bemerkte, als es vorzeitig kaputt ging. Dies veranlasste einige Benutzer dazu, einen Rückzieher zu machen und zur 100 Jahre alten Methode der Werkzeugsicherung über einen Schaftfräserhalter mit Seitenverriegelung zurückzukehren, die natürlich eine schreckliche Wiederholgenauigkeit der Auswuchtung und einen schlechten Rundlauf aufweist.“

Die Hauptmerkmale eines Hochleistungshalters für HSM sind Ausgewogenheit, Steifigkeit, Klemmfestigkeit und Rundlaufgenauigkeit. Es ist wichtig, den Werkzeughalter auf die Anwendung abzustimmen. Schruppanwendungen profitieren typischerweise von einem Werkzeughalter mit der höchsten Klemmfestigkeit. Bei Endbearbeitungen, bei denen präzise Toleranzen und feine Oberflächengüten das Ziel sind, wären Werkzeughalter mit minimalem Rundlauf und maximaler Wiederholgenauigkeit die erste Wahl.

Alle unsere Experten empfehlen einen Hochleistungs-Werkzeughalter für HSM-Anwendungen und warnen davor, beim Werkzeughalter ein paar Dollar zu sparen. Es sei wirtschaftlich nicht sinnvoll, durch HSM Produktivitätsvorteile zu erzielen, wenn diese durch kürzere Werkzeugstandzeiten, langsame Umrüstungen oder Qualitätsverluste vergeudet würden, sagten sie.

„Der größte Return on Investment beim Kauf eines Hochleistungswerkzeughalters ist zweifellos die längere Werkzeuglebensdauer“, sagte Doiron von Emuge. „Wir haben Kunden, die allein durch die Umstellung auf unseren Hochleistungswerkzeughalter eine Verfünffachung der Werkzeugstandzeit verzeichneten, ohne die Geschwindigkeiten oder Vorschübe zu ändern, mit denen sie arbeiteten.“

Bei den genannten Hochleistungswerkzeughaltern handelte es sich entweder um mechanische Spannfutter, Schrumpfspannfutter oder hydraulische Spannfutter. Jedes hat seine Vorteile und Einschränkungen in bestimmten Anwendungen. Beim Schrumpfen wird eine erhitzte Bohrung verwendet, die sich ausdehnt, um den Fräser aufzunehmen, und dann beim Abkühlen festgeklemmt wird. Hydraulische Werkzeughalter nutzen hydraulischen Druck, um eine Membran oder eine andere Vorrichtung zum Greifen des Werkzeugs zu betätigen.

„Schrumpfpassung ist sehr beliebt und weist ein sehr gutes Rundlauf- und Auswuchtverhalten auf, ist jedoch nicht überragend bei der Vibrationsdämpfung, die sehr oft durch die maximale Vorschubgeschwindigkeit begrenzt wird“, sagte Doiron. „In den letzten Jahren wurden verbesserte Hydrodehnspannfutter entwickelt, deren Vorteil in einer guten Schwingungsdämpfung liegt. Ihre Einschränkung liegt jedoch in der Klemmkraft und dem Fehlen von Auszugssicherungen.“

„Der bevorzugte Ansatz zur Werkzeughaltung für HSM wird ein Präzisionshalter sein, der den Rundlauf des Werkzeugs auf 0,0001 Zoll [0,00254 mm] oder weniger, gemessen bei bis zu 3×D, halten kann“, sagte Goss von Greenleaf. „Diese extrem halten.“ Enge Rundlauftoleranzen führen zu einer besseren Gesamtleistung des Werkzeugs, Wiederholgenauigkeit und vorhersehbarerer Werkzeuglebensdauer.“

„Stellen Sie sicher, dass Sie vorgewuchtete Werkzeughalter kaufen und dass der Werkzeughalter nach dem Zusammenbau immer noch als Baugruppe ausgewuchtet ist“, sagte Holden von Haimer. „Versuchen Sie, ein System mit möglichst wenigen beweglichen Teilen zu finden. Wenn Sie dies nicht tun, kommt es zu einer verkürzten Werkzeugstandzeit und einer schlechten Oberflächengüte. Andernfalls geht die Spindel schnell kaputt und es kommt zu Maschinenstillständen und hohen Kosten für den Austausch. Wir empfehlen die Anschaffung einer hauseigenen Auswuchtmaschine, um sicherzustellen, dass Ihre Baugruppen ausgewuchtet sind, bevor Sie sie in die Maschine einsetzen. Für Steilkegelanwendungen (CAT, BT, SK) empfehlen wir den Kauf hochwertiger Anzugsbolzen, die über eine Führung verfügen, um den Anzugsbolzen für die beste Balance in die Mitte des Werkzeughalters zu führen.“

Für Gewindeschneidanwendungen empfahl Matsumoto von OSG den SynchroMaster-Halter, um die Schubkräfte bei Betrieben mit höherer Geschwindigkeit aufzunehmen. OSG behauptet, dass der Halter die Gewindeschneidleistung auf CNC-Maschinen mit Synchronspindeln „auflädt“, indem er Synchronisationsfehler während des Gewindeschneidvorgangs ausgleicht. Der SynchroMaster verfügt über einen integrierten Mikrospannungs-Kompressionsschwimmer, der Lasten in Schubrichtung aufnimmt und die Schubkräfte bei Rückwärtsdrehung deutlich reduziert. Das Ergebnis ist eine längere Standzeit des Werkzeugs, eine gleichmäßige Gewindetiefe und eine verbesserte Gewindequalität. Die Standzeit des Spiralgewindebohrers mit kurzer Fase wird von 231 Löchern auf 1.000 Löcher verlängert, also um den Faktor 5.

Doiron zitierte das starre FPC-Fräs-/Bohrfutter von Emuge mit drei Tonnen Zugkraft, um ein Werkzeug sicher zu halten. Laut Emuge verfügt das patentierte FPC über ein 1:16-Schneckengetriebe, das eine spezielle Spannzange mit extrem hohem Übersetzungsverhältnis in einen flachen, abgewinkelten Kegel zieht und so praktisch alle Vibrationen absorbiert. Der mechanische Antrieb wird mit einem Innensechskantschlüssel betätigt und ermöglicht so einen schnellen Werkzeugwechsel. Die Spannkräfte sind extrem hoch und unabhängig von den Toleranzen des Werkzeugschafts. Bei einer 3×D-Werkzeuglänge beträgt die Abweichung der Konzentrizität weniger als 3 µm, was die Werkzeuglebensdauer verlängert und die Oberflächengüte verbessert. Alle Modelle sind werkseitig auf G2,5, 20.000 U/min ausgewuchtet. Im Geschwindigkeitsvergleich mit vier konkurrierenden Spannfutterdesigns ermöglichte das FPC-Spannfutter laut Emuge eine Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit um 30 Prozent ohne Leistungseinbußen.

Herdman empfiehlt die Rego-Fix powRgrip-Serie von Haltern, Spannzangen und automatischen oder manuellen Presssystemen. Mit bis zu neun Tonnen Druck wird die Spannzange in die Aufnahme gedrückt. Rego-Fix gibt an, dass Werkzeugwechsel mit powRgrip in 10 Sekunden durchgeführt werden können und dass der angezeigte Gesamtrundlauf bei Schnitttiefen bis zum Dreifachen des Werkzeugdurchmessers weniger als 3 µm beträgt, was eine Leistungsgarantie für fünf Jahre und 20.000 Werkzeugwechsel darstellt. Für Anwendungen, die zusätzliche Maßnahmen zur Fräsersicherung erfordern, bietet Rego-Fix das secuRgrip-Ausziehschutzsystem an, das das Werkzeug an der Spannzange arretiert.

Holden zitierte Haimers „Reibungs- und Formschluss“-Lösung namens Safe-Lock. Das System kombiniert die Genauigkeit einer hochpräzisen Schrumpfspannzange oder eines hydraulischen Spannfutters mit einer Form an der Rückseite der Bohrung, die in die Nuten am Schaft eines Schneidwerkzeugs eingreift. Das Unternehmen gibt an, dass es mit dem Safe-Lock-System keine Möglichkeit gibt, das Werkzeug herauszuziehen. Alle Haimer-Halter sind vorgewuchtet und die Schrumpffutter sind mit Bohrungen und Gewinde versehen, um Ausgleichsschrauben aufzunehmen, die hinzugefügt werden können, um die mögliche Unwucht der gesamten Werkzeughalterbaugruppe zu korrigieren.

Goss sagte, dass Greenleaf kürzlich XSYTIN-360 angekündigt hat, eine neue Reihe leistungsstarker Vollkeramik-Schaftfräser, die erhebliche Produktivitätssteigerungen ermöglichen, indem sie es Benutzern ermöglichen, Spanlasten ähnlich wie bei Vollhartmetall-Schaftfräsern mit den höheren Geschwindigkeiten anzuwenden, die bei der Keramikbearbeitung üblich sind . Nach Angaben des Unternehmens bieten die neuen Keramik-Schaftfräser eine zehnmal höhere Produktivität und erhebliche Kosteneinsparungen. Greenleaf brachte außerdem seine Reihe von Schnellwechsel-Werkzeughaltern auf den Markt, die darauf ausgelegt sind, die Werkzeugstandzeit bei Hartmetall- und Keramikdrehanwendungen zu maximieren. Die Halter verfügen über Hochdruck-Kühlmitteldüsen, um die Spanentfernung zu unterstützen und die Werkzeugstandzeit zu verbessern. Positive V-Boden-Wendeschneidplatten verwenden austauschbare Nester. Negative Wendeschneidplatten nutzen die seitlichen Spanwinkel, um mit Greenleaf-Keramik-Wendeschneidplatten eine bessere Standzeit zu bieten.

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