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4 Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden Die verschiedenen Fertigungsverfahren sind, in DIN 8580 in 6 Hauptgruppen zusammengefaßt. Innerhalb der Hauptgruppe 3 - Trennen - werden die spanenden Fertigungsverfahren nach den eingesetzten Werk-zeugen in

- Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden, Gruppe 3.2 und

- Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden, Gruppe 3.3 unterschieden.

Im folgenden soll das Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden näher betrachtet werden. Unter Berücksichtigung der Ordnungskriterien "Werkzeuggeometrie" und "Kinematik" lassen sich die drei wich-tigsten spanenden Fertigungsverfahren vereinfacht definieren.

Bild 42: Definition Drehen, Fräsen und Bohren

- Drehen

ist Spanen mit geschlossener, meist kreisförmiger, Schnittbewegung und beliebiger Vorschubbewegung in einer zur Schnittrichtung senkrechten Ebene. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug und Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei.

- Fräsen

ist Spanen mit kreisförmiger, dem Werkzeug zugeordneter Schnittbewegung und beliebiger Vorschubbe-wegung. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug unabhängig von der Vor-schubbewegung bei.

- Bohren

ist Spanen mit geschlossener kreisförmiger Schnittbewegung, bei dem das Werkzeug eine Vorschubbe-wegung nur in Richtung der Drehachse erlaubt. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkzeug und Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei.

Nach dem E-V-A Prinzip kann das technologische System Spanen folgendermaßen dargestellt werden:

Bild 43: Das Technologische System Spanen

5 Fräsen Das Fräsen ist nach dem Bohren und Drehen das am häufigsten eingesetzte spanende Fertigungsverfah-ren. Was versteht man unter Fräsen und wie können wir es von anderen Fertigungsverfahren, wie Dre-hen oder Bohren, abgrenzen?

Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren mit einem rotierenden, meist mehrschneidigen Werkzeug -einem Fräser-, das die kreisförmige Schnittbewegung durchführt und einer vom Werkstück oder Fräser durchgeführten Vorschub- und Zustellbewegung. Die Vorschubbewegung kann eben oder eine beliebige räumliche Bahnkurve sein, was auch die große Vielzahl an Werkstückformen begründet.

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5.1 Fräsverfahren Es gibt eine Vielzahl an Fräsverfahren, die DIN 8589 Teil 3 nach den Ordnungskriterien:

- Richtung der Vorschubbewegung gegenüber der Schnittbewegung : Gleich- und Gegen-lauffräsen, siehe Bild 45.

- Form der erzeugten Oberfläche : Plan-, Rund-, Schraub-, Wälz-, Profil- und Formfräsen, die durch die vierte Ordnungsnummer festgelegt ist, siehe Bild 44.

- Lage der Werkzeugachse zur erzeugten Oberfläche: Umfangs-, Stirn- und Stirn-Um-fangsfräsen, siehe Bild 46 einteilt.

Bild 44 zeigt die Einteilung der Fräsverfahren nach der Form der erzeugten Oberfläche. Sie werden diese Fräsverfahren in den folgenden Kapiteln kennen lernen.

Bild 44: Einteilung der Fräsverfahren nach DIN 8589 Teil3

Bild 45 zeigt Ihnen das Gleich- und Gegenlauffräsen. Beim Gleichlauffräsen bewegt sich das Werkstück in die gleiche Richtung, in die auch die Schnittgeschwindigkeit weist. Beim Gegenlauffräsen ist die Rich-tung der Werkstückbewegung der Schnittrichtung entgegen gerichtet.

a Gleichlauffräsen: 90° < ϕ < 180° b Gegenlauffräsen: ϕ < 90° Bild 45: Umfangsfräsen im (a) Gleichlauf und (b) Gegenlauf

Der Vorschubrichtungswinkel ϕ ist der Winkel zwischen Vorschubrichtung und Schnittrichtung. Er kann konstant sein, z. B. beim Drehen ( = 90°) oder sich während des Zerspanvorgangs laufend ändern, z. B. beim Fräsen.

5.1.1 Gleichlauffräsen • Merkmale des Gleichlauffräsens:

- Die Vorschubbewegung des Werkstücks und die Schnittgeschwindigkeit zeigen in die gleiche Richtung.

- Der Vorschubrichtungswinkel ϕ nimmt Werte zwischen 90-180° an. - Der Fräser dringt bei der größten Spanungsdicke hmax in das Werkstück ein, es entsteht da-

her eine schlagartige Beanspruchung beim Fräsereintritt.

- Der Fräser tritt bei der Spanungsdicke h = 0 mm aus dem Werkstück, deshalb

tritt kein Rückfedern auf und

es entstehen bessere Oberflächen, allerdings sind diese matt.

- Die Schnittkraft Fc drückt das Werkstück auf den Tisch bzw. in die Spannvorrichtung, d. h. die Schnittkraft unterstützt die Spannkraft des Werkstücks in der Vorrichtung.

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- Schnitt- und Vorschubkraft sind gleichgerichtet, sodass das Werkstück unter den Fräser ge-zogen wird.

- Größere Vorschübe fz, Spanungsdicken h und Schnittgeschwindigkeiten vc, möglich.

- Spielfreie Führung des Maschinentisches ist erforderlich. Die Horizontalkomponente FH der Zerspankraft muss kleiner sein als die Reibkraft FR in der Spindel, sonst wandert der Tisch zwischen den beiden Spindelflanken.

- Steife Werkzeuge und Maschinen sind erforderlich, um die schlagartige Beanspruchung beim Fräsereintritt aufzunehmen.

- Rattergefahr ist gegeben.

5.1.2 Gegenlauffräsen • Merkmale des Gegenlauffräsens:

- Die Vorschubbewegung des Werkstücks und die Schnittgeschwindigkeit zeigen in entgegen-gesetzte Richtungen.

- Der Vorschubrichtungswinkel ϕ nimmt Werte zwischen 0-90° an. - Der Fräser dringt bei der Spanungsdicke h = 0 mm in das Werkstück ein.

- Gleiten des Fräsers beim Anschnitt, bis eine Mindestspanungsdicke erreicht ist, ab der der Fräser einen Span abträgt, wodurch

o sehr hohe Temperaturen beim Anschnitt entstehen

o die Oberfläche verfestigt wird

o beim Schlichten durch den Gleiteffekt eine bessere Oberflächengüte entsteht

o an der Schneide anhaftende Späne zum Plattenbruch führen können

o ein starker Freiflächenverschleiß entsteht und damit geringere Standzeiten erreicht werden.

- Der Fräser tritt bei der maximalen Spanungsdicke hmax aus dem Werkstück heraus, wodurch

o Rückfedern und

o Rattern auftreten kann, das die Oberfläche verschlechtert.

- Die Schnittkraft Fc, hebt das Werkstück vom Tisch ab bzw. aus der Spannvorrichtung heraus, d. h. die Schnittkraft unterstützt die Spannkraft des Werkstücks in der Vorrichtung nicht

- Geringere Vorschübe f, Spanungsdicken h und Schnittgeschwindigkeiten vc, sind möglich.

FAZIT: Gleichlauffräsen ist grundsätzlich dem Gegenlauffräsen vorzuziehen.

Ausnahmen:

- Bearbeitung harter Werkstückoberflächen, z. B. Gusshaut, Schmiedehaut, die beim Gegen-lauffräsen von unten heraus aufgebrochen wird.

- Herstellung tiefer, schmaler Nuten, da die Späne beim Gegenlauffräsen leichter entfernt wer-den können.

5.1.3 Planfräsen Beim Planfräsen werden ebene Flächen durch eine geradlinige Vorschubbewegung erzeugt, wie Ihnen Bild 46 verdeutlicht.

- Beispiele: Dichtungsflächen von Flanschen, Motor- oder Getriebegehäusen, Führungsbah-nen von Werkzeugmaschinen, Revolverstimflächen, Werkzeuggrundhalter, Dreibackenfutter-Stirnflächen, allgemeine Absätze u. v. a.

Bild 46: Planfräsverfahren nach DIN 8589 T3

Je nachdem, ob die Umfangs- oder/und Stirnschneiden die Werkstückoberfläche erzeugen, unterscheidet man zwischen den Fräsverfahren:

- Umfangs-Planfräsen

- Stirn-Planfräsen

- Stirnumfangs-Planfräsen, die oben dargestellt sind.


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Beim Umfangs-Planfräsen erzeugen die am Umfang liegenden Schneiden die Werkstückoberfläche, wo-bei die Fräserachse parallel zur erzeugten Oberfläche ist. Wenn die stirnseitig angeordneten Neben-schneiden die Oberfläche erzeugen, spricht man vom Stirn-Planfräsen. Beim Stirnumfangs-Planfräsen entstehen zwei Oberflächen, eine von den Umfangsschneiden (= Hauptschneide) und eine von den stirn-seitigen Nebenschneiden.

5.1.4 Rundfräsverfahren Das Rundfräsverfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine kreiszylindrische Außen oder Innenflä-che durch eine kreisförmige Vorschubbewegung erzeugt. Die Vorschubbewegung kann abhängig von der Fräsmaschine das Werkzeug oder das Werkstück übernehmen.

• Beispiele: große Bohrungen, lange Druckwalzen. Je nachdem, ob die Umfangs- oder Stirnschneiden die Fläche erzeugen, unterscheidet man (Bild 47) zwischen:

- Umfangs-Rundfräsen: Die Werkzeugachse ist parallel zur Zylinderachse.

- Stirn-Rundfräsen: Die Werkzeugachse steht senkrecht zur Zylinderachse.

- Stirnumfangs-Rundfräsen: Die Werkzeugachse steht senkrecht oder ist parallel zur Zylinder-achse.

Bild 47: Rundfräsverfahren

Das Stirn- und das Stirnumfangs-Rundfräsen wird auch als Drehfräsen bezeichnet, ein Verfahren, das seit einigen Jahren erfolgreich in der Praxis eingesetzt wird.

5.1.5 Schraubfräsen Beim Schraubfräsen wird mit einer wendelförmigen Vorschubbewegung eine schraubenförmige Fläche oder ein Gewinde am Werkstück erzeugt. Der axiale Vorschub entspricht der Gewindesteigung. Die Wendelform entsteht durch eine Drehung bei gleichzeitigem axialen Vorschub. Das Werkzeug ist meis-tens ein Profilwerkzeug.

• Beispiele: metrische Gewinde, Trapezgewinde, Zylinderschnecken.

Bild 48: Schraubfräsen

Beim Langgewindefräsen ist die Werkzeugachse zur Gewindeachse geneigt, während sie beim Kurzge-windefräsen koaxial ist.

5.1.6 Wälzfräsen Das Wälzfräsen ist das bedeutendste Verfahren zur Herstellung von Verzahnungen. Der Wälzfräser hat eine profilierte Zahnform, wobei die Zähne wendelförmig angeordnet sind.

Die Zahnform entspricht dem Verzahnungsbezugsprofil, z. B. das Zahnstangenprofil. Das Verzahnungs-profil entsteht durch die gleichzeitigen und aufeinander abgestimmten Drehungen des Wälzfräsers, des Werkstücks und der Vorschübe zum Fertigen der Verzahnungstiefe und Verzahnungslänge.

• Beispiele: Herstellung von gerad- und schrägverzahnten Zahnrädern sowie Innenverzahnungen.

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5.1.7 Profilfräsen Beim Profilfräsen erzeugt ein profilierter Fräser das gewünschte Gegenprofil am Werkstück. Dadurch ist die Werkstückform werkzeuggebunden. Da viele Werkstückformelemente wie Radien, Schrägen genormt sind, gibt es dazu genormte Profilfräser.

• Beispiele: Schwalbenschwanz- oder T-Nutenführungen, Spannuten von großen Fräsern.

Bild 49: Profilfräsverfahren

Abhängig von der erzeugten Profilform unterscheidet man zwischen:

- Längsprofilfräsen mit geradliniger Vorschubbewegung des Fräsers

- Rundprofilfräsen mit kreisförmiger Vorschubbewegung des Fräsers

- Formprofilfräsen mit beliebiger, zwei- oder dreidimensionaler Fräservorschubbahn

5.1.8 Formfräsen Beim Formfräsen erzeugt ein formneutrales Werkzeug eine beliebige Werkstückform, wobei die Vor-schubbewegung/-en gesteuert werden.

Abhängig davon, wie die Vorschubbewegung des Fräsers erzeugt wird, unterscheidet man zwischen:

- Freiformfräsen: durch manuelles Drehen des Handrades

- Nachformfräsen: durch eine Schablone

- kinematischem Formfräsen: durch Kurvenscheiben, Trommelkurven, Getriebe

- NC-Formfräsen: durch das NC-Programm der Steuerung.

Bild 50: Formfräsverfahren

Das NC-Formfräsen, auch mit 5 gesteuerten Achsen, wird heute sehr viel eingesetzt, beispielsweise für die Herstellung von Gesenken im Formenbau oder Turbinenschaufeln. Mit einem CAM-System werden aus den CAD-Daten automatisch NC-Programme erzeugt/generiert, die unmittelbar zum NC-Formfräsen verwendet werden.

5.2 Fräswerkzeuge Das Bild 51 zeigt eine kleine Auswahl von Fräswerkzeugen, deren Einsatzmöglichkeiten auf den nächs-ten Seiten besprochen werden.

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Bild 51: Auswahl von Fräswerkzeugen (a) diverse Fräser mit Wendeschneidplatten, (b) Walzenstirnfräser, (c) Winkelfräser, (d) Schaftfräser, (e) Kopierfräser, (f) Schaftfräser, (g) T-Nutenfräser, (h) Scheibenfräser (Werkfotos a Fa. Walter AG und b-h Fa. Wil-helm Fette GmbH)

• Die Einteilung der Fräswerkzeuge erfolgt nach den Kriterien: - Zweck: Nuten-, Prismen- oder Formfräser

- Werkzeugaufbau: Vollfräser oder Wendeplattenfräser

- Mitnahme: Aufsteckfräser oder Schaftfräser

- Lage der Schneiden: Umfangs-, Stirn- oder Stirnumfangsfräser

- Zahnform: spitzgezahnt oder hinterdreht.

Aufsteckfräser werden auf einen Fräsdorn aufgesteckt, d. h. Fräser und Schaft sind zwei unterschiedliche Bauteile, wie Bild 51b+c+h und Bild 52 zeigen. Im Gegensatz dazu sind Schaftfräser einteilige Werkzeu-ge, deren Schneiden oder Grundkörper (er ist mit Schneidplatten bestückt) und Schaft aus einem Werk-zeug bestehen, siehe Bild 51d-g.


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Aufsteckfräser sind z. B.: Walzenfräser, Walzenstirnfräser, Scheibenfräser, Nutenfräser, Winkel- und Winkelstirnfräser, Prismenfräser, Rundprofilfräser, Fräsköpfe.

a

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Bild 52: (a) Walzenstirnfräser als Aufsteckfräser, (b) Fräserdorn

Den Unterschied zwischen einer spitzgezahnten und hinterdrehten Zahnform zeigt Bild 53. Der spitzge-zahnte Fräser hat eine gerade Freifläche, während der hinterdrehte Fräser eine Freifläche hat, die Teil einer logarithmischen Spirale ist. Der spitzgezahnte Fräser wird an der Freifläche nachgeschliffen und der hinterdrehte Fräser auf der Spanfläche. Beim Nachschleifen hinterdrehter Fräser ändern sich die Werk-zeugwinkel und -geometrie nicht. Das ist der Grund, weshalb profilierte Fräser wie Winkelstirnfräser, Prismenfräser, Nutenfräser, Halbrundfräser oder Wälzfräser hinterdrehte Zahnformen haben.

Die meisten nichtprofilierten Fräser haben spitzgezahnte Zahnformen, da sich diese einfacher und kos-tengünstiger herstellen lassen.

a spitzgezahnter Fräser

b hinterdrehter Fräser

Bild 53: Fräserzahnformen

5.2.1 Fräsköpfe/Plan- und Eckfräsköpfe Fräsköpfe sind aufsteckbare Stirnfräser, deren Hauptschneiden stirnseitig liegen. Früher wurden sie als Messerköpfe bezeichnet, da ihre Schneiden HSS-Messer waren. Sie werden in der Praxis sehr häufig eingesetzt.

• Bearbeitungsmöglichkeiten Da der Fräskopf stirnseitig arbeitet, ist seine Hauptaufgabe die Herstellung einer ebenen Fläche, wie Bild 54A zeigt. Darüber hinaus können mit dem Eckfräser, der einen Einstellwinkel κ= 90° hat, Absätze her-gestellt oder Bohrungen erweitert werden, Bild 54B-D. Fräsköpfe mit runden Schneidplatten, siehe Bild 54E, eignen sich für die Herstellung von Freiformflächen.

Bild 54: Bearbeitungsmöglichkeiten mit Fräsköpfen; A Planfräsen, Eckfräsen zur Herstellung von Absätzen B+ C oder zur Erweite-rung der Bohrung (D), E Kopierfräsen (Fräser-Werkfotos Fa. Widia GmbH)

• Fräsköpfe besitzen folgende Merkmale: - Sie haben stirnseitig i. d. R. zwischen 5-50 Schneiden in Form von Schneidplatten.

- Die erzeugte Oberfläche steht senkrecht zur Fräserachse.

- Sie besitzen eine zentrische Bohrung zur Zentrierung und Aufnahme.

- Die radiale Mitnahme erfolgt über eine Quernut.

- Sie ermöglichen hohe Zerspanungsleistungen.

a Planfräskopf

b Eckfräskopf

Bild 55: Plan- und Eckfräskopf (Werkfotos Fa. Walter Kieninger GmbH)

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• Ausführungen Planfräser besitzen einen Einstellwinkel κ= 45°, 60°, 65°, 75°, 88° und Eckfräser einen Einst ellwinkel κ = 90°. Beim Planfräsen ist ein Einstellwinkel von κ= 75° die erste Wahl. Die Durchmesser, die Höhe und die Maße zur Befestigung sind in der DIN 8033 genormt. Die Fräser-durchmesser liegen zwischen d1 = 40-500 mm. Die Zähnezahl z ist sowohl vom Durchmesser als auch von der Teilungsart (von weit bis eng) abhängig und liegt bei z = 5-50.

In Fräsköpfen werden die im Bild 56 abgebildeten Plattenformen eingesetzt. Da das Fräsen im unterbro-chenen Schnitt erfolgt, werden stets stabile Schneidplatten mit einem großen Eckenwinkel ε eingesetzt.

Bild 56: Wendeschneidplatten für Fräsköpfe (Werkfotos Fa. Iscar Hartmetall GmbH)

Schneidplatten werden entweder in den Fräskörper eingeklemmt, siehe Klemmsysteme beim Drehen, oder aber in Kurzklemmhaltern oder austauschbaren Kassetten, siehe Bild 55, aufgenommen. Bei einer sehr engen Teilung ist oft nicht genügend Platz vorhanden, um jede Schneidplatte in einer Kassette auf-zunehmen. In diesem Fall werden die Schneidplatten direkt in den Fräskopf eingeklemmt oder mit einer Schraube befestigt. Der Vorteil der Aufnahme in Kassetten liegt in der Flexibilität, d. h. in den meist recht teuren Fräsköpfen eines Herstellers können 10-15 verschiedene Kassetten eingesetzt werden, um so den Fräser an die Bearbeitungsaufgabe anzupassen.

Fräsköpfe müssen eine hohe Plan- und Rundlaufgenauigkeit aufweisen. Die Planlaufgenauigkeit des Fräskopfes liegt bei 30 µm. Hierbei ist wichtig, dass die geklemmten Schneidplatten nach dem Austausch immer in die gleiche Position/Lage gebracht werden und die Kassetten radial und axial einstellbar sind. Die radiale und axiale Einstellgenauigkeit liegt bei ± 2 bis 5 µm. Fräsköpfe werden grundsätzlich vor der Auslieferung an den Kunden gewuchtet.

Schneidplatten werden entweder radial (siehe Bild 55) oder tangential im Fräskopf angeordnet.

5.2.2 Walzen- und Walzenstirnfräser • Bearbeitungsmöglichkeiten Walzen- und Walzenstirnfräser sind walzenförmige Fräser. Mit einem Walzenfräser können nur ebene Flächen, siehe Bild 57 - Nr. 1, während mit einem Walzenstirnfräser ebene und rechtwinklige Flächen hergestellt werden, siehe Bild 57 - Nr. 2.

Bild 57: Bearbeitungsmöglichkeiten mit Walzen- und Walzenstirnfräser (1) Walzenfräser (2); Walzenstirnfräser und Ausführungen (Typ H, N, NR, W)

• Merkmale von Walzen- und Walzenstimfräsern: - Walzenfräser besitzen Umfangsschneiden am Zylinderumfang.

- Walzenstirnfräser besitzen Umfangs- und Stirnschneiden.

- Die Schnittbreite ap ist kleiner als die Fräserbreite.

- Die mit den Umfangsschneiden erzeugte Fläche liegt beim Walzenfräser parallel zur meist waagerecht liegenden Fräserachse, im Gegensatz zu den Fräsköpfen.

- Der Walzenstirnfräser erzeugt gleichzeitig mit seinen Umfangs- und Stirnschneiden zwei senkrecht zueinander stehende Flächen.

- Sie sind gedrallt. Wenn bei der Draufsicht die Spannuten nach links oben zeigen, spricht man von Linksdrall, und wenn sie nach rechts oben zeigen, spricht man von Rechtsdrall.

- Durch den Drall entsteht zusätzlich eine Axialkraft, die immer in die Richtung der Spindel weisen soll, damit der Fräser nicht aus der Aufnahme herausgezogen wird, siehe Bild 58.

- Die radiale Mitnahme erfolgt über eine Längs- oder Quernut und die axiale Fixierung über ei-ne stirnseitige Anzugsschraube.

• Ausführungen Walzenfräser werden in der DIN 884 und Walzenstirnfräser in der DIN 1880 festgelegt.

Im Bild 57 sind drei Fräsertypen H, N und W nach den Anwendergruppen: H für hart, N für normal und W für weich, analog den Anwendergruppen beim Spiralbohrer, dargestellt.


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Sie unterscheiden sich im Wesentlichen in der Größe des Drallwinkels λ, der dem Seitenspanwinkel γf entspricht, und der Zahnteilung/Zähnezahl bzw. der Größe des Spanraums. Einige Walzenfräser besitzen einen Spanteiler, siehe Bild 57, Typ N Bild rechts, mit flachem, Abk. F oder rundem Profil, Abk. R, z. B. NF, NR.

- Typ H: Schlichten harter, kurzspanender Werkstoffe, viele Zähne, kleiner Drallwinkel

- Typ N: Schlichten von Werkstoffen mit normaler Festigkeit

- Typ W: Schlichten weicher, zäher und langspanender Werkstoffe, grobgezahnt, großer Drallwinkel

- Typ HF, NF, WF: Schlichten und Schruppen der entsprechenden Werkstoffe (s. oben)

- Typ HR, NR, WR: Schruppen der entsprechenden Werkstoffe (s. oben).

Durch den Spanteiler teilt man die Schnittbreite ap in viele Einzelbreiten auf, um so einen besseren Spanbruch bei großen Zahnvorschüben/Spanungsdicken zu erreichen. Daher sind die Fräsertypen mit dem zweiten Buchstaben F oder R zum Schruppen geeignet.

Die Axialkraft Fax muss immer in Richtung des Antriebs weisen, damit der Fräser nicht auf Grund der durch den Drall erzeugten Axialkraft aus der Spindel herausgezogen wird, wie Sie im Bild 58a sehen können. Ein Fräser mit Linksdrall muss demnach rechtsschneidend sein und darf nicht linksschneidend sein, wie im Bild 58b. Wenn die durch den Drall verursachten Axialkräfte zu groß werden, können gekop-pelte Walzenfräser - einer mit einem Zinksund der andere mit einem Rechtsdrall - eingesetzt werden, deren Axialkräfte sich kompensieren, siehe Bild 58c.

a Linksdrall-rechtsschneidend

b Linksdrall-linksschneidend

c gekoppelter Walzenfräser

Bild 58: Drall beim Walzenfräser

5.2.3 Winkel- und Winkelstirnfräser Winkel- und Winkelstirnfräser sind Profilfräser zur Herstellung schräger und/oder kegeliger Flächen.

5.2.3.1 Winkelfräser • Bearbeitungsmöglichkeiten Bild 59 zeigt exemplarisch, welche Bearbeitungen mit einem Winkelfräser möglich sind.

Bild 59: Bearbeitungsmöglichkeiten mit einem Winkelfräser

• Winkelfräser (DIN 1823) sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Sie besitzen eine kegelige Umfangsfläche, an der die Schneiden angeordnet sind.

- Da sie nur Umfangsschneiden haben, muss das Werkstück bei einer Innenbearbeitung, siehe Bild 59 Nr. 1, eine Aussparung besitzen.

- Sie sind gerad- oder spiralverzahnt.

- Die radiale Mitnahme erfolgt über eine Längsnut.

• Ausführungen Winkelfräser gibt es in den Typen H, N und W bzw. HF, NF, WF, HR, NR, WR. Winkelfräser haben einen Durchmesser d1 = 50-160 mm und einen Einstellwinkel κ= 45°, 50°, 60°, 80°. 5.2.3.2 Winkelstirnfräser • Bearbeitungsmöglichkeiten Im Bild 60a sind die Möglichkeiten der Bearbeitung mit einem Winkelstirnfräser dargestellt. Der Winkel-stirnfräser ist ein Walzenstirnfräser, dessen Mantelfläche kein Zylinder, sondern ein Kegelstumpf ist, und daher zu den Profilfräsern zählt.

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Bild 60: (a) Bearbeitungsmöglichkeiten mit einem Winkelstirnfräser; (b) HSS-Winkelstirnfräser Typ H und NF (Fräsen-Werkfotos Fa. Wilhelm Fette GmbH)

• Winkelstirnfräser (DIN 842) sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - eine kegelige Umfangsfläche mit den Umfangsschneiden und zusätzlichen Stirnschneiden.

- Sie sind gerad- oder spiralverzahnt.


• Ausführungen und Schneidstoffe, siehe Winkelfräser 5.2.4 Scheibenfräser/Nutenfräser 5.2.4.1 Scheibenfräser Scheibenfräser sind scheibenförmige Fräser, deren Breite im Vergleich zum Durchmesser gering ist.

• Bearbeitungsmöglichkeiten Einen Überblick über die wichtigsten Bearbeitungsmöglichkeiten mit einem Scheibenfräser zeigt Bild 61.

Bild 61: Bearbeitungsmöglichkeiten mit Scheibenfräsern und Ausführungen von Scheibenfräsern (Fräser-Werkfotos Fa. Wilhelm Fette GmbH)

• Scheibenfräser besitzen folgende Merkmale: - Sie haben Umfangsschneiden und mindestens an einer Stirnseite Schneiden,

- daher werden gleichzeitig zwei oder drei Flächen erzeugt.

- Sie sind gerad-, siehe Bild 61 Typ H, oder kreuzverzahnt, siehe Bild 61 Typ N, W.

- Die radiale Mitnahme erfolgt über eine Längsnut oder eine stirnseitige Quernut.

- Scheibenfräser werden von einem Fräsdorn aufgenommen.

- Sie sind sehr produktiv, beispielsweise kann eine Nut mit der Breite von 20 mm, einer Tiefe von 65 mm und einer Länge von 1 m innerhalb einer Minute hergestellt werden. Nicht selten kann die Maschine nicht die Leistung erbringen, um die Scheibenfräser optimal einzusetzen.

• Ausführungen Scheibenfräser gibt es in den Typen H, N und W, siehe Bild 62a.

Scheibenfräser haben einen Durchmesser d1 = 50-550 mm und Fräserbreiten von 2-45 mm. Die Zähne-zahl z ist von der Teilung und dem Durchmesser abhängig und liegt zwischen z = 4-50. Auf Grund ihres großen Durchmessers und der großen rotierenden Masse werden Scheibenfräser vom Hersteller ge-wuchtet.

a b c Bild 62: Ausführungen von Scheibenfräser mit Wendeschneidplatten (Werkfotos Fa. Widia GmbH)


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5.2.4.2 Nutenfräser Nutenfräser dienen speziell der Herstellung von Nuten und sind daher Formfräser.

• Nutenfräser besitzen folgende Merkmale: - Es sind gekuppelte Scheibenfräser aus HSSE bzw. mit Schneidplatten bestückte Fräser und

einstellbarer Nutenbreite. Die Verstellung der Breite beträgt max. 10% der Schnittbreite.

- Sie sind gerad-, kreuz- oder pfeilverzahnt.

- Sie haben Umfangsschneiden und an jeder Stirnseite Schneiden,

- daher werden gleichzeitig drei Flächen erzeugt.

- Die radiale Mitnahme erfolgt über eine Längsnut oder eine stirnseitige Quernut.

- Nutenfräser werden von einem Fräsdorn aufgenommen.

- Sie ermöglichen eine hohe Produktivität.

Bild 63: Nutenfräser (Werkfoto Fa. Widia GmbH)

Bild 63 zeigt einen mit Wendeschneidplatten bestückten Nutenfräser mit integrierter Kuppelung, d. h. er besteht aus einer Scheibe.

• Ausführungen Bezüglich der Ausführungen gilt das zu Scheibenfräser Beschriebene. Sie sind in der DIN 1980 und DIN 1981 festgelegt.

5.2.4.3 Satzfräser Werden mehrere Nutenfräser auf einen gemeinsamen Dorn montiert, nennt man das komplette Werk-zeug einen Satzfräser. Da mehrere Nutenfräser gleichzeitig im Eingriff sind, werden die Bearbeitungszei-ten erheblich verringert.

Beim Satzfräser ist zu beachten, dass die Durchmesserunterschiede d1,max zu d1,min der einzelnen Nuten-fräser nicht zu groß werden, damit die Unterschiede in den Schnittgeschwindigkeiten technologisch noch vertretbar sind.

a b Bild 64: Satzfräser und erzeugtes Werkstück

Bild 64a zeigt einen Satzfräser, bestehend aus vier Nutenfräsern mit dem zugehörigen Werkstückprofil. Der Abstand der einzelnen Nutenfräser wird durch Distanzstücke oder Buchsen festgelegt.

5.2.5 Prismenfräser Prismenfräser sind scheibenförmige, symmetrische Profilfräser zur Herstellung prismatischer Profile mit Profilwinkeln von 45o , 60o und 90o , siehe Bild 65.

• Bearbeitungsmöglichkeiten

a b Bild 65:Prismenfräser und Werkstück

• Prismenfräser (DIN 847) sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Sie besitzen eine symmetrisch-prismatische Umfangsfläche, an der die Schneiden an-

geordnet sind.

- Sie sind meist geradverzahnt.


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• Ausführungen Prismenfräser gibt es in den Typen H, N und W. Prismenfräser haben einen Durchmesser d1 = 50-100 mm und einen Prismenwinkel κ = 45

o , 60o , 90o .

5.2.6 Rundprofilfräser/Kreisprofilfräser Rundprofilfräser sind scheibenförmig und werden zur Herstellung runder Profile eingesetzt.

• Bearbeitungsmöglichkeiten (siehe Bild 66) • Rundprofilfräser sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet:

- Sie besitzen eine runde Umfangsfläche, die die Schneiden hat.

- Sie sind meist geradverzahnt.


1 konkaver Halbrundprofilfräser

2 konvexer Halbrundprofilfräser

3 konkaver Viertelrundprofilfräser

Bild 66: (a) Rundprofilfräser und Werkstück, (b) HSSE-Rundprofilfräser (b Werkfotos Fa. Wilhelm Fette GmbH)

• Ausführungen Rundprofilfräser haben im Allgemeinen einen Durchmesser d1 = 50-100 mm und einen Formradius R = 1-10 mm. Konkave Halbrundprofilfräser sind in der DIN 855 und konvexe in der DIN 856 genormt.

5.2.7 Schaftfräser Im Gegensatz zu den Aufsteckfräsern haben Schaftfräser als wesentliches Kennzeichen einen integrier-ten Schaft, der in einer Fräseraufnahme eingespannt wird.

• Schaftausführungen - Zylinderschaft

- Morsekegelschaft

- Steilkegelschaft

- Hohlschaftkegel.

Die Bezeichnung Schaftfräser sagt noch nichts darüber aus, für welche Bearbeitungen Schaftfräser ein-gesetzt werden.

Die Einteilung und daraus abgeleitet deren spezielle Bezeichnung erfolgt nach deren Form bzw. den Bearbeitungsmöglichkeiten.

• Einteilung der Schaftfräser nach deren Form/Bearbeitungsmöglichkeiten - Schaftfräser (typische)

- Langlochfräser

- Gesenkfräser

- T-Nutenfräser

- Winkel-/Winkelstirnfräser

- Frässtifte.

Der typische Schaftfräser ist mehrschneidig (2-8 Schneiden).


a b c Bild 67: Verschiedene Schaftfräser


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• Schaftfräser sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Sie besitzen eine zylindrische Umfangsfläche mit 2-8 Schneiden und Stirnschneiden.

- Wenn eine der Stirnschneiden über die Zentrumsmitte hinaus schneidet (Zentrumsschnitt), sind sie bohrfähig, d. h. man kann axial ins Volle eintauchen und geschlossene Nuten her-stellen, wie Bild 67b zeigt.

- Langlochfräser sind bohrfähig und besitzen nur 2-3 Schneiden.

- Sie sind meist spiral- aber auch geradgenutet.

- Die radiale Mitnahme erfolgt über den meist zylindrischen Schaft mit/ohne Spannfläche.

• Ausführungen Sie haben einen Durchmesser d1 = 1-30 mm und einen Drallwinkel γf= 0°- 60°. Vollhartmetall-Kleinstfräser gibt es ab einem Durchmesser d1 ≥ 0,05 mm. Ab einem Durchmesser d1 ≥ 15 mm werden Schaftfräser mit Schneidplatten eingesetzt. Es gibt die Ausführungen kurz, lang und extra lang.

HSSE- Schaftfräser mit Zylinderschaft sind in der DIN 844 und mit Morsekegelschaft in der DIN 845 fest-gelegt, während Hartmetall- Schaftfräser in der DIN 6527 genormt sind. Langlochfräser aus HSS sind in der DIN 326/327 und mit Hartmetallplatten in der DIN 8026/8027 genormt.

Zu den Schaftfräsern zählen auch die sog. Igelfräser, die für die Herstellung von Absätzen und planen Flächen beim Schruppen eingesetzt werden, siehe Bild 67c Die Schneiden sind unterbrochen, um den Span zu teilen, und gegeneinander versetzt.

5.2.8 Kopier-/Gesenkfräser Gesenkfräser sind Werkzeuge zur Herstellung von Freiflächen, siehe Bild 68, in Gesenken (Schmiede-, Biege- oder Tiefziehwerkzeugen), Gießwerkzeugen oder Modellen und zählen zur Gruppe der Schaftfrä-ser.


a b c Bild 68:Verschiedene Gesenkfräser

• Gesenkfräser sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Sie besitzen eine zylindrische oder kegelige Umfangsfläche mit 2-6 Schneiden und eine fla-

che oder runde Stirn, welche die Stirnschneiden hat.

- Eine der Stirnschneiden schneidet über die Zentrumsmitte hinaus, wodurch sie bohrfähig werden, d. h. man kann ins Volle eintauchen und in allen Vorschubrichtungen arbeiten, wie Ihnen Bild 68a verdeutlicht.

- Sie sind meist spiral- aber auch geradgenutet.


• Ausführungen Gesenkfräser gibt es in der DIN 1889 in folgenden Ausführungen:

- zylindrische Gesenkfräser mit flacher oder runder Stirn und mit Zylinder- oder Kegelschaft

- kegelige Gesenkfräser mit flacher oder runder Stirn und mit Zylinder- oder Kegelschaft. Sie besitzen Steigungen von 1:6, 1:10 oder 1:20.

- Gesenkfräser gibt es in den Typen H, N und W.

- Gesenkfräser aus HSSE oder Vollhartmetall haben einen Durchmesser d1 = 2-36 mm und ei-nen Drallwinkel γf = 0°- 40°

- kurz oder lang.

Da der Gesenkfräser mit runder Stirnfläche in der Zentrumsmitte die Schnittgeschwindigkeit vc = 0 m/min besitzt, werden diese Fräser, falls eine zusätzliche Maschinenachse vorhanden ist, unter einem Anstell-winkel von 20°- 30° eingesetzt. Dadurch schneiden a lle Stirnschneiden mit vc ≠ 0 m/min und es kommt nicht zu einem Quetschen.

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5.2.9 T-Nutenfräser/Schlitzfräser Es handelt sich um T- förmige Schaftwerkzeuge zur Herstellung T- förmiger Nuten. Es sind Profilfräser.

• Bearbeitungsmöglichkeiten, siehe Bild 69.

a b c Bild 69: (a) T-Nutenfräser und Werkstück, (b) T-Nutenfräser aus HSSE, (c) T-Nutenfräser mit Schneidplatten (Werkfotos b Fa. PROTOTYP-Werke GmbH, c Fa. tscar Hartmetall GmbH)

• T-Nutenfräser sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Sie besitzen eine zylindrische Umfangsfläche mit 6-20 Schneiden an beiden Stirnseiten, d. h.

sie schneiden an drei Seiten.

- Sie sind meist kreuzverzahnt.

- Die Mitnahme erfolgt über den meist zylindrischen Schaft mit/ohne Spannfläche, ein Gewinde oder über einen Morsekegel.

• Schlitzfräser unterscheiden sich vom T-Nutenfräser dadurch, dass sie nur Umfangsschneiden und keine Stirnschneiden haben. Ihre Schneiden sind kreuz- oder geradverzahnt.

• Ausführungen T-Nutenfräser sind in der DIN 851 und Schlitzfräser in der DIN 850 genormt. Es gibt sie in den Typen H, N und W. Sie haben einen Durchmesser d1 = 11-60 (95) mm und eine Schneidenbreite/Nutenhöhe von 6-30 mm. Schlitzfräser haben einen Durchmesser von 4,5 - 45,5 mm und eine Schneidenbreite von 1-20 mm.

5.2.10 Winkel- und Winkelstirn-Schaftfräser Diese Fräser gibt es nicht nur als Aufsteckfräser, sondern auch als Schaftfräser.

• Bearbeitungsmöglichkeiten (s. auch 5.2.3) - Herstellung von Fasen an Werkstücken.

• Merkmale (s. auch 5.2.3) • Ausführungen

- Winkel-Schaftfräser sind in der DIN 1833 genormt.

- Winkel- und Winkelstirn- Schaftfräser gibt es in den Typen H, N und W, siehe Bild 70

- Form A mit nach unten und Form B nach oben geöffnetem Kegelwinkel.

- Sie haben einen Durchmesser d1 = 11-50 mm und einen Einstellwinkel (= halbe Kegelwinkel) κ = 45°, 50°, 55°, 60°.

Bild 70:Ausführungen von Winkelschaftfräsern

5.2.11 Gewinde- Schaftfräser/Kurzgewindefräser Gewinde können mittels unterschiedlicher Verfahren hergestellt werden. Hier wird das Gewindefräsen mit einem Schaftfräser beschrieben. Der Gewindefräser ist ein profiliertes Werkzeug, das eine schrauben-förmige Gewindeoberfläche erzeugt.


a

b Bild 71: Kurzgwindefräser


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• Kurzgewindefräser sind durch folgende Merkmale gekennzeichnet: - Sie besitzen an der Umfangsfläche einzahnige oder mehrzahnige Schneiden.

- Die Fräserschneide legt die Steigung fest.

- Mit dem gleichen Fräser kann sowohl ein Rechts- als auch ein Linksgewinde erzeugt werden.

- Der rotierende Fräser führt eine spiralförmige Bewegung aus, bestehend aus einer Vorschub- und gleichzeitiger Kreis-/Zirkularbewegung um die Gewindeachse.


• Ausführungen Kurzgewindefräser sind nicht genormt. Abhängig von der Schneide können alle Gewindearten hergestellt werden.

• Einsatzgebiete - auf Waagerecht- und Senkrechtfräsmaschinen möglich

- für Außen- und Innengewinde, wie Bild 71a zeigt

- unabhängig vom Gewindedurchmesser, nur abhängig von der Steigung - Rechts- und Links-gewinde mit dem gleichen Kurzgewindefräser

- Durchgangs- und Sacklochgewinde

- Bearbeitung aller metallischen Werkstoffe ist möglich.

• Vorteile des Kurzgewindefräsens - kurze Späne und gute Spanabfuhr

- bessere Oberfläche als beim Gewindebohren, da der Gewindefräser beim Herausfahren aus der Innenbohrung die fertige Oberfläche nicht berührt

- Rechts- und Linksgewinde mit dem gleichen Kurzgewindefräser

- Durchgangs- und Sacklochgewinde

- kein Drehrichtungswechsel beim Herausfahren aus der Bohrung

- großer Durchmesserbereich mit einem Werkzeug bei gleicher Steigung möglich

- Gewinde bis nahe zum Bohrungsgrund

- bei Fräserbruch kann das Werkzeug einfach aus der Bohrung entfernt werden

- geringere Fräskräfte als beim Gewindebohren, daher sind Gewinde auch in dünnwandigen Werkstücken möglich

- kürzere Bearbeitungszeiten durch hohe Schnittgeschwindigkeiten und mittiges Herausfahren aus der Bohrung im Eilgang möglich.

Die radiale Zustellung auf den Gewindekerndurchmesser erfolgt häufig über eine sog. Einfahrschleife, wie Bild 72 verdeutlicht. Das Anfahren an das Werkstück sollte tangential im Arbeitsvorschub erfolgen, um Beschädigungen der ersten Gewindeflanken zu vermeiden. Auch das Wegfahren des Kurzgewinde-fräsers vom Werkstück sollte kreisförmig erfolgen, um die zuletzt gefertigten Gewindeflanken nicht zu beschädigen.

Bild 72: Einfahrschleife beim Gewindefräsen

5.3 Spannmittel für Werkzeuge und Werkstücke Sie haben die unterschiedlichen Fräsverfahren und deren Werkzeuge kennengelernt. Wir wollen nun wissen, wie die Fräswerkzeuge gespannt werden, und welche Möglichkeiten es gibt, das Werkstück zu spannen.

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5.3.1 Spannmittel für Werkzeuge Da Fräser rotierende Werkzeuge sind, werden an die Spannmittel folgende

• Anforderungen gestellt: - sichere Kraft-, Moment- und Leistungsübertragung

- auch bei hohen Drehzahlen

- hohe Genauigkeit durch hohe Steifigkeit und Dämpfung

- hohe Positionier- und Wechselgenauigkeit

- unempfindlich gegenüber Schmutz, Wärme und Kühlschmierstoffen

- geringe Unwucht - insbesondere bei hohen Drehzahlen -, da sie die Arbeitsgenauigkeit be-einflusst

- geringe Werkzeugwechselzeiten

- für manuellen und automatischen Werkzeugwechsel geeignet.

Auf Grund der Fräservielfalt, kann hier nur ein Überblick über die gängigsten Spannmittel gegeben wer-den. Hierbei stellt sich die Frage

- wie wird das Werkzeug in einer Werkzeugaufnahme gespannt (= Trennstelle) und

- wie wird die Werkzeugaufnahme in der Hauptspindel befestigt (= Schnittstelle)?

Nach dem Kriterium Mitnahme, das die Fräswerkzeuge in Aufsteck- und Schaftfräser einteilt, werden auch die Spannmittel eingeteilt.

5.3.1.1 Spannmittel für Aufsteckfräser Zu den typischen Fräsern zählen: Walzen- und Walzenstirnfräser, Fräsköpfe, Scheibenfräser, Nutenfrä-ser, Winkel- und Winkelstirnfräser, Prismenfräser und Wälzfräser.

• Spannmittel für Aufsteckfräser - Fräsdorn zur Aufnahme von Walzen- und Walzenstirnfräsern, Scheibenfräsern, Nutenfräsern,

Satzfräsern, Winkel- und Winkelstirnfräsern oder Wälzfräsern, siehe Bild 73a.

- Aufsteckfräsdorne zur Aufnahme von Walzen- oder Walzenstirnfräsern, Winkel- oder Winkelstirnfräsern, Scheiben- oder Nutenfräsern oder Fräsköpfen.

Der Fräsdorn nach DIN 6354/6355 besitzt eine Längsnut mit einer Passfeder zur radialen Mitnahme des Fräsers. Er wird beidseitig aufgenommen: auf der einen Seite über einen Steilkegel in der Maschinen-spindel, siehe Bild 73a/rechts, und auf der anderen Seite in einem Gegenhalter. Der Gegenhalter verrin-gert die Durchbiegung.

c

Bild 73: (a) Fräsdorn mit Wälzfräser, (b) Satzfräser auf einem Fräsdorn , (c) Aufnahme eines Walzenfräsers an einer konventionel-len Waagerecht-Fräsmaschine

Die axiale Lage und die Fixierung erfolgt mittels Spannbuchsen (Zwischenringen), die auf den langen Spanndorn aufgeschoben werden und über die Mutter den Fräser gegen den Bund spannen. An der Stel-le, an der das Gegenlager ist, wird vorher eine Laufbuchse auf den Fräsdorn aufgeschoben.

Mit Hilfe von Aufsteckfräsdornen lassen sich verschiedene Fräser aufnehmen, die ohne Gegenhalter arbeiten.

Der Aufsteckfräsdorn, siehe Bild 74a, wird über einen Steilkegel in der Spindel aufgenommen und hat eine Längsnut (DIN 6360) mit Passfeder oder eine Quernut (DIN 6361) zur radialen Mitnahme des ent-sprechend genuteten Fräsers. Er wird axial mit einer Fräseranzugsschraube fixiert. Darüber hinaus gibt es Kombi-Aufsteckfräsdorne DIN 6358, die sowohl eine Längs- als auch eine Quernut besitzen. Statt eines Steilkegels gibt es auch die Aufnahme in der Spindel mit Hohlschaftkegel, wie im Bild 74b darge-stellt, die für Drehzahlen bis 15.000 U/min zugelassen sind.


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a Aufsteckfräsdorn mit Längs- bzw. Quernut

b Kombi-Aufsteckfräsdorne für SK und HSK

Bild 74: (a) Aufsteckfräsdorn, (b) Kombi-Aufsteckfräsdorn (Werkfotos a Fa. Iscar Hartmetall GmbH, b Fa. Helmut Diebold GmbH & Co.)

Bei großen Fräsköpfen können Längs- oder Quernuten die erforderliche Leistung nicht mehr übertragen. Sie werden direkt in der Spindel oder über Reduzierflansche zusätzlich mit Schrauben befestigt. In der industriellen Fertigung versucht man weitestgehend mit Aufsteckfräsdornen zu arbeiten.

5.3.1.2 Spannmittel für Schaftfräser Abhängig von den unterschiedlichen Ausführungen von genormten Schäften (ISO 3338), die im Bild 75 dargestellt sind, gibt es entsprechende genormte Werkzeugaufnahmen.

• Schaftausführungen - Zylinderschaft, siehe Bild 75a

- Zylinderschaft mit Anzugsgewinde, siehe Bild 75b

- Weldonschaft - Zylinderschaft mit ebener seitlicher Mitnahmefläche, siehe Bild 75c+d

- Whistle Notchschaft - Zylinderschaft mit schräger (2° geneigter) seitlicher Mitnahmefläche (Form HE), siehe Bild 75d

- Morsekegelschaft, siehe Bild 75e

- Steilkegelschaft, siehe Bild 75f.

Bild 75: Schaftausführungen (a) Zylinderschaft, (b) zylindrischer Schaft mit Anzugsgewinde, (c) Whistle Notchschaft, (d) Weldon-schaft, (e) Morsekegel Schaft, (f) Steilkegelschaft (Werkfotos a+e+f Fa. Wilhelm Fette GmbH, b+c+d Fa. PROTOTYP-Werke GmbH)

5.3.1.3 Spannen der Werkzeugschäfte im Grundhalter Das Spannen der Schäfte kann über einen Reibschluss am Schaftumfang erfolgen, wie beim Kegel- und Zylinderschaft oder radial über eine Schraube beim Weldon- und Whistle Notchschaft.

Der kegelige Schaft wird entweder

- direkt in die Fräserhülse (DIN 6364) eingesetzt oder über

- Reduzierhülsen bei kleinen Schaftdurchmessern oder über

- Verlängerungshülsen bei zu großen Schaftdurchmessern.

Der zylindrische Schaft wird entweder über

- Spannzangenfutter (DIN 6388) mit Überwurfmutter, siehe Bild 76a,

- Weldon-Spannfutter, siehe Bild 76b,

- Whistle Notch-Spannfutter,

- Hydrodehnspannfutter, siehe Bild 76c,

- Schrumpfspannfutter, siehe Bild 76d - Tribos®-Kraftspannfutter gespannt.

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a Spannzangenfutter mit Überwurfmutter+Spannzange

b Weldon-Spannfutter mit HSK

c1 HSK-Hydrodehnspannfutter c2 Spannprinzip

d Schrumpfspannfutter und Schrumpfgerät

Bild 76: Werkzeugaufnahmen mit zylindrischem Schaft (Werkfotos a Fa. SCHCUNK GmbH & Co. KG, a+b+c1 Fa. Wilhelm Fette GmbH, Quelle c2 Fa. Hahn+Kolb Werkzeugkatalog 2001. d Fa. RÖHM GmbH)

Bei hohen Drehzahlen werden Spannsysteme benötigt, die trotz Fliehkraftwirkung eine ausreichende Spannkraft aufbringen und eine hohe Rundlaufgenauigkeit aufweisen. Hier sind die Spannsysteme: Hyd-rodehnspannfutter, Schrumpffutter und das TRIBOS© bestens geeignet.

5.3.1.4 Aufnahme der Grundhalter in die Spindel Die Hauptspindel hat eine meist kegelige Bohrung zur Aufnahme der Grundhalter. In der Praxis werden folgende Aufnahmen eingesetzt:

- Steilkegel, Abk. SK (DIN 69 892 T1)

- Doppelzylinder-Hohlschaft, Abk. HSZ (nicht mehr in der Norm)

- Hohlschaftkegel, Abk. HSK (DIN 69 893 T1).

Darüber hinaus gibt es firmenspezifische Aufnahmen, z. B. Coromant CaptoTM.

Der Steilkegel , Abk. SK, wird heute zunehmend durch den Hohlschaftkegel ersetzt. Das liegt daran, dass er eine hohe Masse hat, einen langen Kegel, so dass beim Auswechseln große Aushubwege erforderlich sind und keine radiale Nachspannung bei einer Aufweitung der Aufnahme infolge Erwärmung oder Flieh-kraft erfolgt.

Der Hohlschaftkegel , Abk. HSK, kompensiert die oben genannten Nachteile. Er liegt an der Spindel immer planseitig an, wodurch er stets axial fixiert ist, unabhängig von der Drehzahl oder der Betriebstem-peratur. Mit zunehmender Drehzahl wird die Spannkraft verstärkt. Das HSK-System ist sowohl für ste-hende als auch für rotierende Werkzeuge einsetzbar und wird in der Praxis immer häufiger verwendet.

Man unterscheidet zwischen Aufnahmen, die ausschließlich für manuellen bzw. für überwiegend automa-tisierten Werkzeugwechsel geeignet sind.

Bei konventionellen Fräsmaschinen (manueller Wechsel) ist die Hauptspindel mit einem Steilkegel nach DIN 729 (keine Selbsthemmung) und einer Durchgangsbohrung versehen. Mit Hilfe einer manuell betätig-ten Spannschraube wird der Aufnahmekegel in die Hauptspindel gezogen. Die Reibung zwischen den Kegelflächen der Hauptspindel und der Werkzeugaufnahme überträgt das erforderliche Drehmoment. Nutensteine sind zur Lagesicherung und als zusätzliche Drehsicherung vorhanden, siehe Bild 77a.

Die Aufnahme von Messerköpfen bei manueller Bedienung erfolgt durch direktes Verschrauben des Werkzeuges gegen die Planfläche der Hauptspindel. Zum Zentrieren des Messerkopfes wird ein Zent-rierdorn in den Steilkegel gespannt, siehe Bild 76b.

a b

Bild 77: (a)Frässpindelkopf nach DIN 2079 mit Steilkegel (b) Aufnahme eines Messerkopfes an einer konventionellen Senkrecht-Fräsmaschine

Bei automatisiertem Werkzeugwechsel muss die Kraft zum Einziehen des Steilkegels maschinell aufge-bracht werden.


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Dazu greifen Zangen in eine Ringnut am Kegelende ein und ziehen den Adapter in den Kegel der Haupt-spindel. Das Schließen der Zangen wird durch Schrägen in der Hauptspindel beim axialen Verschieben erzwungen. Vorgespannte Federn erzeugen die Spannkraft. Das Werkzeug ist auch bei Ausfall der Ener-gie gespannt.

Zum Lösen des Adapters werden die Zangen z.B. durch einen Hydraulikzylinder in Richtung Spindel-flansch geschoben. Dabei öffnen sie sich und geben das Werkzeug frei.

Nutensteine sind zur Lagesicherung und als zusätzliche Drehsicherung auch hier vorhanden. Für den automatisierten Werkzeugwechsel sind die Adapter mit verschieden genormten Flächen (z. B. Ringnuten) ausgestattet, die eine Handhabung mit Greifern zulassen, siehe Bild 78. Bei hohen Drehzahlen (größer 6000 min-1) besitzen Steilkegel aufgrund der Fliehkraftwirkung einige Nachteile. Sie weiten sich un-gleichmäßig auf. Das hat zur Folge, dass

- die Kegelflachen z.T. nicht mehr an der Hauptspindel anliegen und die Steifigkeit der Verbin-dung nachlässt

- der Werkzeugkegel weiter in die Hauptspindel gezogen wird und sich bei Stillstand nicht mehr ohne weiteres aus der Spindel entfernen lässt

Bild 78: Hauptspindel mit SK-Aufnahme für automatischen Werk-zeugwechsel

Bild 79: Hauptspindelflansch mit HSK- Schnittstelle

Der Hohlschaftkegel (HSK- Schnittstelle nach DIN 69893) besitzt diese Nachteile nicht. Er wird deshalb bei schnelllaufenden Fräsmaschinen als Spindelflansch eingesetzt. Die Übertragung des Drehmomentes erfolgt durch die Reibung an der Stirnfläche. Der Kegel ist axial kurz. Die Spannzangen erzeugen eine Einzugskraft und eine Radialkraft von innen nach außen, so dass die Kegelflächen immer anliegen.

Zum Betätigen der Spannzangen beim Spannen des Werkzeugs wird die Zugstange durch ein Paket von Tellerfedern gezogen (Bild 79 und Bild 80). So wird gesichert, dass bei Energieausfall das Werkzeug sicher gespannt bleibt. Bei der Anzugbewegung der Zugstange (3) zieht die fest damit verbundene Spannhülse (9) die Zangensegmente (6) und dadurch auch den Werkzeughohlschaft (10) axial ein. Nach dem erfolgten Anschlag des Bundes vom Hohlschaft (10) an der Stirnseite der Spindel (1) werden die Zangensegmente (6) durch die Kegel der Spannhülse (9) radial bewegt. Dadurch erfolgt das Spannen des Hohlschaftes in der Spindel. Zum Lösen drückt ein Hydraulikkolben das Federpaket zusammen und schiebt die Zugstange in Richtung Spindelflansch. Die Spannzangen öffnen sich und das Werkzeug kann entnommen werden.

Oft ist es erforderlich, Kühlschmierstoff (zum Kühlen und Schmieren an der Zerspanungsstelle) und Druckluft (zum Reinigen beim Werkzeugwechsel) durch die Spindel zu führen. Am Spindelende befindet sich zu diesem Zweck eine Drehdurchführung.

Die Möglichkeit der manuellen Werkzeugspannung bei Anwendung einer HSK- Schnittstelle zeigt Bild 81. Durch radiales Verschieben der Spannbacken wird das Werkzeug axial eingezogen und der Hohlschaft-kegel radial geweitet. Die Zentrierung erfolgt durch Anlage an den Kegel, der Kraftfluss über die Planan-lage.

Der Flansch der Hauptspindel einer Fräsmaschine ist unveränderlich. Deshalb sind für die Aufnahme von Werkzeugen mit unterschiedlichen Spannflächen Werkzeughalter (-adapter) erforderlich, siehe Spannen der Werkzeugschäfte im Grundhalter.

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Bild 80: Automatische Werkzeugspannung für eine Fräsmaschine

Bild 81: Manuelle Werkzeugspannung bei HSKSchnittstelle

5.3.2 Spannmittel für Werkstücke Spannmittel nehmen auf die Rüst- und Bearbeitungszeiten einen erheblichen Einfluss. Des Weiteren hängt die Fertigungsgenauigkeit wesentlich von der Genauigkeit der Positionierung ab. Daher sind Spannmittel für den Anwender sehr wichtig.

Grundsätzlich muss unterschieden werden, ob das Werkstück

- direkt auf den Tisch oder

- in einer Vorrichtung

gespannt wird.

Große Werkstücke werden, wenn möglich, direkt auf den Tisch gespannt. Wird das Werkstück in einer Vorrichtung gespannt, ist gleichzeitig zur Spannung auch eine Lagefixierung gegeben.

5.3.2.1 Spannmittel für große Werkstücke Zu den klassischen Spannmitteln zählen:

- Spanneisen

- Klemmfinger, siehe Bild 82a

- Spannpratzen, siehe Bild 82b

- Selbsttätige Spannpratze, siehe Bild 82c

- Stufenpratzen, siehe Bild 82b

- Keilspannzeuge

- Schwenkspanner, siehe Bild 82e

- Schnellspanner, siehe Bild 82d

- Magnetspannplatten für ferritische Werkstück-Werkstoffe.


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a Klemmfinger

b Spannpratze und Stufenpratzen

c Selbsttätige Spannpratze

d Schnellspanner

e Schwenkspanner

Bild 82: Mechanische Spannmittel (a) Klemmfinger, (b) Spann- und Stufenpratzen, (c) selbsttätige Spannpratze, (d) Spannei-sen/Schnellspanner, (e) Schwenkspanner (Werkfoto a Fa. Knuth GmbH, b Fa. Andreas Maier GmbH & Co., c+e Fa. Romheld GmbH, d Fa. Beloh GmbH)

Sind keine Vorsprünge zum Ansetzen von Spannpratzen vorhanden, können Keilspannzeuge verwendet werden. Sie benötigten wenig Platz auf dem Maschinentisch und ermöglichen das Spannen auf unter-schiedlichen Spannhöhen. Kann das Werkstück für die Bearbeitung nicht senkrecht auf den Tisch ge-spannt werden, können weitere Hilfsmittel wie Aufspannwinkel, -würfel, -prisma oder Winkelspanntische genommen werden, die im Bild 83 dargestellt sind.

Bild 83: (a) Aufspannplatte, (b) -winke(, (c) -würfe(, (d) -prisma (Werkfotos Fa. Andreas Maier GmbH & Co.)

5.3.2.2 Spannmittel für kleine Werkstücke Kleine Werkstücke nehmen nur einen kleinen Teil des Arbeitsraumes oder der Arbeitsfläche in Anspruch.

• Zu den wichtigsten Spannmitteln zählen: - Maschinenschraubstock, siehe Bild 84a. Die Backenform kann der Werkstückform angepasst

werden. In Doppelspannstöcken können zwei Werkstücke zentrisch oder gegen Festan-schlag gespannt werden.

- Magnetspannplatten, siehe Bild 84b

- Vakuumspannplatte, siehe Bild 84c

- Baukastenspannsysteme zum Spannen und Positionieren, auch für mehrere Werkstücke

Sonderspannvorrichtung, siehe Bild 84e.

a NC-Maschinenschraubstock mit Sonderbacken

b Magnetspannplatten c Vakuumspannplatte

d Zehnfach-Wendespannvorrichtung

e Mehrfach-Sonderspannvorrichtung

Bild 84: Spannmittel für kleine Werkstiicke (Werkfotos a Fa. Brockhaus Soehne GmbH & Co. KG, b Fa. Beloh GmbH, ( Fa. Hein Hess GmbH, d Fa. Röhmheld GmbH, e Fa. Spreitzer-Präzisionswerkzeuge)

Mit Mehrfachspannsystemen kann die Bearbeitungszeit erheblich verringert werden. Sie sind jedoch nur in der Serienfertigung wirtschaftlich einsetzbar.

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nten

6 Ermittlung der Zerspankraftkomponenten 6.1 Drehen • Schnittkraft Die Schnittkraft Fc wird in der Praxis aus dem Spanungsquerschnitt A und der spezifischen Schnittkraft kc ermittelt:

c cF A k= ⋅

pA b h a f= ⋅ = ⋅ pab

sin=

κ sinh f κ= ⋅

1.1

c

cc m

kk

h= −= ⋅1.1 c

mc ck k h

kc1.1 ist der Hauptwert der spezifischen Schnittkraft kc. Er gibt an, welche Kraft für einen bestimmten Werkstoff erforderlich ist, um einen Spanungsquerschnitt von 1 mm2 mit h = 1 mm und b = 1 mm (daher auch der Index 1.1 bei kc1.1) abzutragen.

Die Abhängigkeiten aus den Gleichungen zeigt Ihnen auch Bild 85 qualitativ.

Bild 85: Abhängigkeit der spezifischen Schnittkraft und der Schnittkraft von den Spanungsgrößen

Die Spanungsbreite b geht linear in die Schnittkraft ein, während die spezifische Schnittkraft kc unabhän-gig von der Spanungsbreite b ist.

Die Spanungsdicke h geht in die Schnittkraft Fc degressiv (0 < 1- mc < 1) ein, während die spezifische Schnittkraft kc mit zunehmender Spanungsdicke h abnimmt (- mc < 0).

Trägt man die spezifische Schnittkraft kc in Abgängigkeit von h im doppellogarithmischen Maßstab auf, so erhält man eine lineare Abhängigkeit. Die Steigung der Geraden tan α ist negativ und entspricht dem Exponenten -mc.

In umfangreichen Versuchsreihen wurden von Victor und Kienzle sowie von König und Essel Tabellen aufgestellt, in denen unter einer bestimmten Technologie für die gebräuchlichsten Werkstoffe die Werte für die spezifische Schnittkraft kc und den Hauptwert der spezifischen Schnittkraft kc1.1 ermittelt wurden. Tabelle 3: Spezifische Schnittkräfte einiger Werkstoffe


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Der Werkstückwerkstoff legt den Wert der spezifischen Schnittkraft kc fest und den Wert des Exponenten mc. Je höherfester der Werkstoff ist, umso größer ist auch die spezifische Schnittkraft. Mit zunehmender Spanungsdicke h nimmt die spezifische Schnittkraft kc ab. Den oben aufgeführten Schnittkraftwerten wurden die in Tabelle 3 oben angegebenen Technologiewerte zugrunde gelegt.

Da in der Praxis häufig andere Werkzeugwinkel, Schneidstoffe und Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt werden, wird die Schnittkraftgleichung mit Korrekturfaktoren erweitert. Die Korrekturfaktoren sind für die einzelnen Kraftkomponenten nicht gleich, deshalb werden sie zusätzlich mit dem jeweiligen Index c für Schnittrichtung, f für Vorschubrichtung und p für Passivrichtung gekennzeichnet.

c c o Verfahren VerschleißF A k k k kγ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

- Einfluss des Spanwinkels γ Er wird durch den Korrekturfaktor Kγ0 erfasst. Mit größer werdendem Spanwinkel γtat kann der Span leich-ter über die Spanfläche gleiten, wodurch die Schnittkraft Fc verringert wird und der Korrekturfaktor Werte < 1 annimmt.

0

oC-1,5 K =100γ

γ⋅

Die Konstante C beträgt für Stahl 109, für Gusswerkstoffe 103.

- Einfluss des Drehverfahrens

Der Einfluss des Schneidstoffs und der Werkstückform wird durch den Korrekturfaktor KVerfahren erfasst.

Verfahren

1 für außen Drehen mit Hartmetall

1,2 für außen Drehen mit HSS

K 1,2 für innen Drehen mit Hartmetall

1,44 für innen Drehen mit HSS

0,9 für Drehen mit

=

Schneidkeramik

- Einfluss des Werkzeugverschleißes

Der Werkzeugverschleiß nimmt auf die Schnittkraft großen Einfluss. Der Korrekturfaktor KVerschleiß erfasst die Schnittkraftänderung durch den Werkzeugverschleiß. Hierbei sind zwei gegenläufige Tendenzen zu berücksichtigen:

- Eine Zunahme der Verschleißmarkenbreite erhöht die Schnittkraft, da die Reibung an der Freifläche zunimmt.

- Eine Zunahme des Kolkverschleißes verringert die Schnittkraft, da er den effektiven Span-winkel verringert und den Spanablauf erleichtert.

VerschleißK 1 10%0,1VBmm

= + ⋅

Da in der Praxis der Werkzeugverschleiß in den seltensten Anwendungen gemessen wird, sollte der Ver-schleißeinfluss auf die Schnittkraft mit einem Erfahrungswert von KVerschleiß = 1,0 bei arbeitsscharfen-Werkzeug und KVerschleiß = 1,3 bei Standzeitende berücksichtigt werden.

Zur Vereinfachung werden die nun folgenden Korrekturfaktoren für die Berechnung nicht berücksichtigt!! Sie werden teilweise schon in den oben besprochenen Korrekturfaktoren berücksichtigt und dienen nur der vollständigen Darstellung der Thematik.

- Einfluss des Schneidstoffs

Der Einfluss des Schneidstoffs wird durch den Korrekturfaktor Kss erfasst. Die einzelnen Schneidstoffe besitzen auf der Spanfläche unterschiedliche Reibwerte (Gefüge, Korngröße, Beschichtung), die durch den Korrekturfaktor Kss berücksichtigt werden. Tabelle 4: Einfluss des Schneidstoffs auf den Schnittkraft-Korrekturfaktor

Schneidstoff Korrekturfaktor Kss Schnellarbeitsstahl 1,2 Hartmetall 1,0 Schneidkeramik 0,9

- Einfluss der Werkstückform

Der Einfluss der Werkstückform wird durch den Korrekturfaktor Kf berücksichtigt. Je nachdem, ob man innen, plan oder außen dreht, siehe Bild 86, verändert sich die Spanstauchung λ und damit auch die Schnittkraft Fc.

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Bild 86: Form der Schnittfläche

Beim Innenrunddrehen ist die Spanstauchung am größten, was durch einen größeren Korrektur- Form-faktor Kf berücksichtigt wird, siehe Tabelle 5. Als Bezug wird das Außendrehen genommen mit Kf = 1. Tabelle 5: Formfaktoren für die Schnittkraft, d = Innendurchmesser oder Werkzeugdurchmesser

Verfahren Formfaktor Kf Außendrehen 1,0 Hobeln, Stoßen, Räumen 1,05 Innendrehen, Bohren, Fräsen 1,05+ (1:d)

- Einfluss der Schnittgeschwindigkeit

Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit wird durch den Korrekturfaktor Kvc berücksichtigt. Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Schnittkraft hat zwei Ursachen:

- Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit vc nimmt die Temperatur in der Scherzone zu, so-dass der Werkstoffs leichter verformt werden kann und infolgedessen die Schnittkraft ab-nimmt.

- Im Bereich geringer Schnittgeschwindigkeit kommt es zur Aufbauschneidenbildung, die den Spanwinkel γ verändert und dadurch auch die Schnittkraft.

Der Korrekturfaktor Kvc wird auf die Schnittgeschwindigkeit vc = 100 m/min bezogen.

0,1

c

100 K =

vvc

Der Einfluss der Schnittgeschwindigkeit auf die Schnittkraft ist jedoch gering. Bei einer Schnittgeschwin-digkeit von vc = 50 m/min beträgt Kvc = 1,07 und bei einer Schnittgeschwindigkeit von vc = 200 m/min beträgt Kvc = 0,93. Mit zunehmender Schnittgeschwindigkeit nimmt die Schnittkraft ab.

- Einfluss des Kühlschmierstoffs, Abk. KSS

Er wird durch den Korrekturfaktor Kkss berücksichtigt. Der Korrekturfaktor Kkss erfasst hauptsächlich die Verringerung der Reibung beim Abgleiten des Spans über die Spanfläche durch den Kühlschmierstoff. Da Öle eine höhere Schmierwirkung haben als Kühlemulsionen, verringern sie stärker die Reibung und damit auch die Schnittkraft, wodurch ihr Korrekturfaktor geringer ist, wie Tabelle A.5 verdeutlicht. Tabelle 6: Einfluss des Kühlschmierstoffs auf den Korrekturfaktor Kkss

Kühlschmierstoff Korrekturfaktor Kkss

trocken (ohne) 1 Kühlemulsion 0,9 Öl 0,85 • Vorschubkraft Ff Analog den Ausführungen zur Ermittlung der Schnittkraft kann auch die Vorschubkraft berechnet werden.

f f fF A k b h k= ⋅ = ⋅ ⋅

1.1fm

f fk k h−= ⋅

11.1

fmf fF k b h

−= ⋅ ⋅ 1

1.1fm

f f f o fVerfahren fVerschleißF k b h k k kγ−= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅


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• Passivkraft Fp Analog den Ausführungen zur Ermittlung der Schnittkraft kann auch die Passivkraft F berechnet werden. Da die Passivkraft bei den meisten Fertigungsverfahren keine Arbeit leistet, die von einem Antrieb er-bracht werden muss, wird sie in der Praxis selten berechnet. Die Ausnahme: Da die Passivkraft Fp beim Drehen das Werkstück in radialer Richtung aus der Mittellage abdrängt, ver-ursacht sie eine Maßabweichung, wodurch die geforderte Werkstücktoleranz gegebenenfalls nicht mehr eingehalten werden kann. In diesem Fall muss die Passivkraft errechnet und deren Einfluss auf die Maß-genauigkeit ermittelt werden. Die Passivkraft Fp wird aus dem Spanungsquerschnitt A und der spezifi-schen Passivkraft kp ermittelt:

p p pF A k b h k= ⋅ = ⋅ ⋅

1.1pm

p pk k h−= ⋅

11.1

pmp pF k b h

−= ⋅ ⋅

Für die Passivkraft Fp gelten die gleichen Aussagen und Zusammenhänge wie für die Schnitt- und Vor-schubkraft. Analog wird auch die Passivkraft mit Korrekturfaktoren versehen, um weitere Einflüsse zu erfassen.

11.1

pmp p p o pVerfahren pVerschleißF k b h k k kγ

−= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

Als Orientierungswert für das Verhältnis der drei Kraftkomponenten gilt bei einem Einstellwinkel von κ= 45 °:

Fc : Ff : Fp = 5 : 2 : 1.

6.2 Leistung beim Spanen Die Leistung muss ermittelt werden, um einerseits die Antriebe von Werkzeugmaschinen auszulegen und andererseits in der Produktion zu wissen, welche Bearbeitung auf welcher Maschine durchgeführt werden kann.

Ganz allgemein errechnet sich die Leistung aus dem Produkt der Geschwindigkeit und der in gleicher Richtung wirkenden Kraft:

P v F= ⋅ In den letzten Jahren wurden einerseits die Schnittgeschwindigkeiten erheblich gesteigert, z. B. durch die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, und andererseits die Spanungsquerschnitte vergrößert, sodass die Antriebsleistung moderner Maschinen erheblich erhöht wurde.

Für die Kraftkomponenten Fc und Ff kann die Leistung Pc bzw. Pf getrennt angegeben werden. Die Pas-sivkraft Fp wird nicht von einem eigenen Antrieb erbracht, deshalb wird sie bei der Leistungsberechnung nicht berücksichtigt. Die Schnittleistung Pc muss vom Hauptantrieb erbracht werden und die Vorschub-leistung Pf vom Vorschubantrieb. Die effektive Wirkleistung setzt sich aus der Schnittleistung Pc und der Vorschubleistung Pf zusammen, wobei vc die Schnitt- und vf die Vorschubgeschwindigkeit ist.

c c cP F v= ⋅

f f fP F v= ⋅

e e e c c f fP F v F v F v= ⋅ = ⋅ + ⋅

Da die Vorschubkraft Ff < Schnittkraft Fc (Faktor 2-3) ist und die Vorschubgeschwindigkeit vf

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6.3 Fräsen 6.3.1 Eingriffs-, Spanungs- und Schnittgrößen beim Walzenfräsen Wir betrachten nun das Umfangsfräsen mit einem Walzenfräser. Im Bild 87 sind die Spanungs- und Schnittgrößen an einer Hauptschneide eines Walzenfräsers dargestellt. Da der Fräser mehrere Schnei-den/Zähne besitzt, ist f der Vorschub pro Schneide/Zahn.

Jede einzelne Fräserschneide tritt beim Eintrittswinkel ϕE in das Werkstück ein und beim Austrittswinkel ϕA wieder aus. Der gesamte Eingriffswinkel ∆ϕ errechnet sich aus der Differenz von Austritts- und Ein-trittswinkel:

A Eϕ ϕ ϕ∆ = − 1

2arccos 1 e

a

dϕ

⋅∆ = −

Bild 87: Spanungs- und Schnittgrößen beim Walzenfräsen

Die Spanungsbreite b wird aus der Schnittbreite ap bestimmt, siehe Bild 87 rechts:

b = ap für geradverzahnte Fräser

cospabλ

= für gedrallte Fräser

λ ist der Drallwinkel, den Sie im Bild 87 rechts sehen können. Die Spanungsdicke h ist beim Umfangsfräsen nicht konstant. Sie ändert sich, während der Eingriffswinkel ∆ϕ zurückgelegt wird. Beim Fräsen rechnet man stets mit der mittleren Spanungsdicke hm. Die mittlere Spanungsdicke hm wird beim halben Eingriffswinkel ∆ϕ/2 ermittelt.

0

1

360sinem z

ah f

dκ

π ϕ= ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ∆ mit 90κ = o - λ

Bei geradgenuteten Wälzfräsern ist definitionsgemäß λ = 0° und demnach κ = 90°. Der Spanungsquerschnitt A, der im Bild 87 dargestellt ist, wird aus der Spanungsbreite b und der mittle-ren Spanungsdicke hm näherungsweise ermittelt:

mA b h= ⋅ 0

1

360sin

cosp e

z

a aA f

dκ

λ π ϕ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ∆

Von Bedeutung ist auch die Fragestellung, wie viele Schneiden zE eines Fräsers mit insgesamt z Schnei-den gleichzeitig im Eingriff sind. Das ermitteln wir über den Eingriffswinkel ∆ϕ:

360E oz z

ϕ∆= ⋅

Bild 88 zeigt zwei Walzenfräser mit unterschiedlicher Zähnezahl z und Teilung. Unter Teilung versteht man den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Schneiden. Bei der weiten Teilung im Bild 88a sind nur wenige Zähne gleichzeitig im Eingriff, wodurch die Gefahr besteht, dass Rattern auftritt. Deshalb haben Fräser meistens eine Differenzialteilung mit unterschiedlichem Abstand zwischen zwei Zähnen. Die Abweichung beträgt nur wenige Winkelgrade.

Bild 88: Zähnezahl und Teilung eines Fräsers mit (a) weiter Teilung und (b) enger Teilung

6.3.2 Eingriffs-, Spanungs- und Schnittgrößen beim Stirnfräsen Das Stirnfräsen ist etwas komplexer als das Umfangsfräsen, da der Stirnfräser unterschiedliche Lagen zum Werkstück haben kann. Darüber hinaus kann beim Stirnfräsen sowohl Gegenlauf als auch Gleichlauf auftreten, wie Bild 89 zeigt. Der Weg der Fräserachse trennt das Gegen- vom Gleichlauffräsen.


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Bild 89: Gegenlauf und Gleichlauf beim Stirnfräsen

Der Eingriffswinkel ∆ϕ wird unter der Vereinfachung das symmetrisches Stirnfräsen mit ae,gl, = ae,ge prakti-ziert wird, d. h. die Fräserachse liegt symmetrisch zur Werkstückachse, bestimmt:

1

2 * arcsin ea

dϕ∆ =

6.4 Ermittlung der Kräfte und Leistung Um die erforderliche Antriebsleistung zu ermitteln, ist zuvor die Schnittkraft zu bestimmen. Da der Fräser meist mehrzahnig ist, sind stets mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff.

6.4.1 Bestimmung der Kräfte beim Umfangsfräsen Je nachdem, ob Gleich- oder Gegenlauffräsen durchgeführt wird, ist der Verlauf der Spanungsdicke h während des Schneideneingriffs unterschiedlich. Beim Gegenlauffräsen nimmt die Spanungsdicke h vom Wert h = 0 mm bei ϕE = 0° beginnend bis zum maximalen Wert h max bei ϕA = 0° zu, bevor die Schneide aus dem Werkstück austritt. Beim Gleichlauffräsen ist es genau umgekehrt. Die mittlere Spanungsdicke hm, die pro Schneide definiert ist, wird beim halben Eingriffswinkel ∆ϕ/2 ermittelt. Die Schnittkraft Fc folgt dem Verlauf der Spanungsdicke h. Betrachten wir nur einen Schneidenzahn z, dann erzeugt er die Schnittkraft Fcz, die den zweiten Index z hat. Die mittlere Schnittkraft einer Schneide Fczm wird auch beim halben Eingriffswinkel ∆ϕ/2 gemessen. Wenn mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff sind, was anzustreben ist, um das Zeitspanungsvolumen zu erhöhen und die Laufruhe zu verbessern, überlagern sich die Schnittkraftanteile der einzelnen Schnei-den.

Beim Fräsen wird grundsätzlich mit gemittelten Größen wie mittlere Spanungsdicke hm, mittlere spezifi-sche Schnittkraft kcm und mittlere Schnittkraft Fcm gearbeitet.

Die mittlere Schnittkraft je Schneide Fczm wird wie folgt ermittelt:

czm cmF A k= ⋅ mit 1.1

c

ccm m

m

kk

h=

czm m cmF b h k= ⋅ ⋅

Die Gesamtschnittkraft ist die Summe aller Einzelschnittkräfte bzw. wenn gleichzeitig zE Schneiden im Eingriff sind

cm czm EF F z= ⋅ 360cm m cmF b h k z

ϕ∆= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅o

Unter Berücksichtigung weiterer Einflussfaktoren, wie den Spanwinkel γ durch den Korrekturfaktor kγ0, den Drallwinkel durch den Korrekturfaktor kλs, den Werkzeugverschleiß durch den Korrekturfaktor kVer-schleiß und dem Verfahren durch den Korrekturfaktor kVerfahren kann die Schnittkraft ermittelt werden.

0360cm m cm s Verschleiß VerfahrenF b h k z k k k kγ λ

ϕ∆= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅o

6.4.1.1 Bestimmung der Korrekturfaktoren beim Umfangsfräsen

- Korrekturfaktor Spanwinkel 0

01,5

100

Ckγ

γ− ⋅= mit CStahl=109; CGuss=103

- Korrekturfaktor Drallwinkel 94 1,5

100sskλ

λ− ⋅=

- Korrekturfaktor Verschleiß 1 10%0,1

BVerschleiß

vk

mm= + ⋅ (1…1,3)

- Korrekturfaktor Verfahren Verfahrenk Hartmetall=1,3; HSS=1,56

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6.4.1.2 Ermittlung der Leistung beim Umfangsfräsen Während die Kraftermittlung zur Auslegung der Werkzeuge und Vorrichtungen herangezogen wird, dient die Leistungsermittlung der Auslegung der Antriebe und der Maschinenauswahl.

c cm cP F v= ⋅

Die Antriebsleistung PM des Motors muss größer als die Schnittleistung Pc sein, da zwischen den im Ein-griff stehenden Schneiden und dem Antriebsmotor Verluste auftreten, die durch den mechanischen Wir-kungsgrad ηm berücksichtigt werden.

cM

PP

η=

6.4.2 Bestimmung der Kräfte beim Stirnfräsen Auch beim Stirnfräsen ist die Spanungsdicke h entlang des Eingriffswinkels ∆ϕ nicht konstant, d. h. h = h(ϕ), was Sie bereits aus 6.4.1 kennen. Andererseits hängen die Spanungsdicke h und die Spa-nungsbreite b, wie beim Drehen oder Bohren, auch vom Einstellwinkel κ ab.

sin sinzh f ϕ κ= ⋅ ⋅

sinpabκ

=

Da sich die Spanungsdicke h während des Eingriffs ändert, folgt die Schnittkraft diesem Verlauf. Da beim Stirnfräsen immer mehrere Zähne gleichzeitig im Eingriff sind, überlagern sich die Kräfte der einzelnen Zähne. Die mittlere Spanungsdicke hm kann wie beim Umfangsfräsen ermittelt werden:

0

1

360sinem z

ah f

dκ

π ϕ= ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ∆

Da die Spanungsdicke h eine veränderliche Größe ist, ändert sich auch der Spanungsquerschnitt A. Mit der mittleren Spanungsdicke hm wird auch ein mittlerer Spanungsquerschnitt Am ≈ A ermittelt.

mA b h= ⋅ 0

1

360sin

sinp e

z

a aA f

dκ

κ π ϕ= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ∆

0

1

360 ep z

aA a f

dπ ϕ= ⋅ ⋅ ⋅

⋅ ∆

Wie bereits dargestellt, kann die mittlere Schnittkraft je Schneide Fczm , wie folgt ermittelt werden:

czm cmF A k= ⋅ mit 1.1

c

ccm m

m

kk

h=

Die Summe aller Einzelschnittkräfte aus den gleichzeitig im Eingriff befindlichen Schneiden zE ergibt die Gesamtschnittkraft Fcm.

cm czm EF F z= ⋅

Unter Berücksichtigung weiterer Einflussfaktoren kann die Schnittkraft ermittelt werden.

0360cm m cm s Verschleiß VerfahrenF b h k z k k k kγ λ

ϕ∆= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅o

6.4.2.1 Bestimmung der Korrekturfaktoren beim Stirnfräsen Die Korrekturfaktoren für den Spanwinkel, den Drallwinkel und den Verschleiß werden äquivalent dem Umfangsfräsen bestimmt (siehe 6.4.1.1).

Korrekturfaktor Verfahren Verfahrenk Hartmetall=1,0; HSS=1,2 6.4.2.2 Ermittlung der Leistung beim Stirnfräsen Die Schnittleistung Pc kann über die gleichen Beziehungen wie beim Umfangsfräsen, siehe 6.4.1.2, be-rechnet werden.


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7 HSM – Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Über HSM "High Speed Machining" gibt es heutzutage eine Menge Fragen, und es werden viele unter-schiedliche mehr oder weniger komplizierte Definitionen darüber aufgestellt. In diesem Artikel wird dieser Bearbeitungstyp leicht verständlich aus praktischer Sicht diskutiert.

7.1 Geschichtlicher Hintergrund Die Bezeichnung Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) bezieht sich allgemein auf die Schaftfräs-bearbeitungen mit hohen Rotationsgeschwindigkeiten und Vorschüben. Dies ist zum Beispiel das Ta-schenfräsen an Flugwerkskomponenten wie Holme, Rippen und Spannten aus Aluminium bei einer sehr hohen Zerspanungsleistung. Diese Bauteile haben nach der Zerspanung zum Teil nur noch ca. 5% ihres Rohgewichtes. In den letzten 60 Jahren wurde HSM bei einer Vielzahl metallischer und nicht-metallischer Werkstückstoffe eingesetzt, einschließlich der Herstellung von Komponenten mit speziellen Ansprüchen an die Oberfläche sowie der Zerspanung von Materialien mit einer Härte von 50 HRC und höher. Da die meisten Komponenten aus Stahl bis ca.32-42 HRC gehärtet sind, werden die Bearbeitungsoptionen häu-fig in folgende Bearbeitungsschritte aufgeteilt.

• Schruppbearbeitungen und Vorschlichten des Werkstückstoffes in seinem geglühten Zustand, • Wärmebehandlung zur Erzielung der erforderlichen endgültigen Härte (

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Werkstückstoffe - die Entwicklung neuer und schwerer zu zerpanender Werkstückstoffe unterstrich die Notwendigkeit, innovative Bearbeitungslösungen zu finden. Die Flugzeugindustrie verwendet warmfeste und rostfreie Stahllegierungen. Die Automobilindustrie setzt unterschiedliche Bimetall- Kompositstoffe, vermicularer Grauguss "GGV" und in stets steigendem Masse Aluminium ein. Der Formen- und Gesenk-bau sieht sich dem Problem gegenüber, Werkzeugstähle mit hohen Härtegraden - vom Schruppen bis hin zum Schlichten - zu zerspanen.

Qualität - die Ansprüche an höherer Werkstück - oder Produktqualität ist ein Ergebnis des harten Wett-bewerbs.

HSM bietet - bei korrekter Anwendung - in dieser Hinsicht eine effektive Lösung. Der Wegfall des manu-ellen Polierens ist ein Beispiel. Dies spielt bei Formen und Gesenken oder Komponenten mit einer kom-plizierten 3 D-Geometrie eine besonders wichtige Rolle.

Verfahrensabläufe - die Forderungen nach kürzeren Durchlaufzeiten infolge weniger Aufspannungen und vereinfachten Produktionsabläufen (Logistik) können größtenteils durch HSM gelöst werden. Ein typisches Ziel im Formen- und Gesenkbau besteht darin, eine komplette Bearbeitung kleinerer, vollstän-dig gehärteter Werkstücke in einer Aufspannung durchzuführen. Kostspielige und teure und Erodierarbei-ten "EDM-Verfahren" können ebenfalls mit HSM vermindert werden oder sogar gänzlich wegfallen.

Design & Entwicklung - eine der Hauptstrategien im heutigen Wettbewerb ist der Verkauf von Produk-ten, dessen Wert durch seinen innovativen Charakter unterstrichen wird. Die durchschnittliche "Lebens-erwartung" von Kraftfahrzeugen beträgt heute 4 Jahre, bei Computern und Zubehör ist sie 1,5 Jahre, bei Mobiltelefonen 3 Monate... Eine der Voraussetzungen bei dieser Entwicklung im Hinblick auf schnelle Designveränderungen und rascher Produktentwicklung ist die HSM-Technik.

Komplizierte Produkte - der Bedarf an multifunktionalen Werkstückoberflächen steigt an. Ein Beispiel: Neue profiloptimierte Turbinenschaufeln, die einen besseren Wirkungsgrad bieten, müssen sehr präzise gefertigt werden. Bei den bisherigen Fertigungsverfahren wurde durch manuelles oder robotergesteuer-tes Polieren die geforderte Oberflächengüte nach dem Schlichtprozess fertig gestellt. Die Turbinenschau-feln im neuen fortschrittlichem Design müssen maschinell und vorzugsweise mittels HSM geschlichtet werden, ansonsten ist die Maßhaltigkeit des Profils nicht in jedem Fall gewährleistet. Es gibt ebenfalls immer mehr Beispiele über dünnwandige Werkstücke, die zu bearbeiten sind (medizinische Produkte, Elektronikkomponenten, Produkte für die Rüstungsindustrie, Computerteile).

Produktionsausrüstung - die starke Entwicklung von Schneidstoffen, Spannzeugen, Steuerungen und insbesondere CAD/CAM-Merkmalen eröffnete Möglichkeiten, die den neuen Produktionsmethoden und Techniken zu entsprechen haben.

7.3 Die ursprüngliche Definition von HSM Die Theorie Salomons "Bearbeitung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten" für die er 1931 ein deutsches Patent erhielt, geht davon aus, dass " bei einer bestimmten Schnittgeschwindigkeit (5-10 mal höher als bei herkömmlichen Bearbeitungen) die Zerspanungstemperatur sich an der Schneidkante vermindert..."

Dies führt zu der Schlussfolgerung: "scheint die Möglichkeit zu bieten, die Produktivität bei der Zerspa-nung mit konventionellen Werkzeugen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten zu erhöhen."

Die moderne Forschung war bedauerlicherweise nicht in der Lage, diese Theorie in ihrer Vollständigkeit zu bestätigen. Die Zespanungstemperatur nimmt mit steigender Schnittgeschwindigkeit bis zu einem gewissen Maximalwert zu, sinkt jedoch bei weiterer Schnittgeschwindigkeitszunahme wieder. Dieser Temperaturrückgang der Schneidkante, der ab bestimmten Schnittgeschwindigkeiten zum Tragen kommt, ist bei Stahl und Grauguss gering, bei Aluminium und andere NE-Metallen jedoch größer. Die Definition von HSM muss auf anderen Faktoren basieren.


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7.4 Wie lautet die heutige Definition von HSM? Die Diskussion über Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist in gewissem Masse durch Unsicherheit ge-kennzeichnet. Es bestehen unterschiedliche Meinungen, zahlreiche Mythen und verschiedene Ansätze für eine Definition von HSM. Bei der Betrachtung einige diese Definitionen soll HSM folgendes sein:

Auf den folgenden Seiten werden die Parameter besprochen, die den Bearbeitungsablauf beeinflussen und mit HSM zusammenhängen.

Wichtig ist, HSM aus praktischer Sicht zu beschreiben und so viele Richtlinien wie nur möglich für die Anwendung von HSM aufzustellen.

• Echte Schnittgeschwindigkeit Da die Schnittgeschwindigkeit sowohl von der Spindeldrehzahl als auch vom Werkzeugdurchmesser

abhängt, sollte HSM als "echte Schnittgeschwindigkeit" über einen gewissen Niveau definiert werden. Die lineare Abhängigkeit zwischen Schnittgeschwindigkeit und Vorschubgeschwindigkeit resultiert in "hohen Vorschüben mit gleichfalls hohen Schnittgeschwindigkeiten."

Der Vorschub erhöht sich sogar noch mehr, wenn ein kleiner Fräser-durchmesser gewählt wird, unter der Voraussetzung, dass der Vor-schub pro Zahn und die Anzahl der Zähne gleich bleibt. Zwecks Aus-gleich eines kleineren Durchmessers ist zur Beibehaltung der glei-chen Schnittgeschwindigkeit die Spindeldrehzahl zu erhöhen... und die höhere Spindeldrehzahl wiederum bietet einen höheren Vorschub (vf).

• Geringe Schnitttiefen Sehr typisch und auch erforderlich für HSM- Anwendung ist die Tatsache, dass die Schnitttiefen, ae und ap, sowie die mittlere Spandicke, hm, im Vergleich zur konventionellen Bearbeitung sehr viel niedriger ist. Das Zerspanungsvolumen, Q, ist konstant und beträchtlich geringer als bei der herkömmlichen Zerspa-nung. Ausnahmen sind Bearbeitungen von Aluminium, andere NE-Metalle sowie Schlicht und Fein-schlichtbearbeitungen in allen Werkstückstoffen.

7.5 Merkmale bei moderner HSM von gehärtetem Werkzeugstahl Im Formen- und Gesenkbau beträgt die maximal wirtschaftliche Werkstückgröße vom Schruppen bis zum Schlichten mit HSM ca. 400x400x150 mm (l, b, h). Die max. Größe bezieht sich auf das relativ niedrige Zerspanvolumen bei der HSM und natürlich auf die Leistung und Größe der jeweiligen Maschine. Die meisten Formen oder Gesenke sind bei der Komplettbearbeitung (Einzel-Aufspannung) wesentlich klei-ner als oben angegeben. Typische Bearbeitungen sind Schruppen, Vorschlichten, Schlichten und in vie-len Fällen Feinstschlichten. Restflächenbearbeitung der Ecken und Radien sollte stets so erfolgen, das ein konstantes Spanvolumen für die Folgebearbeitung und das Werkzeug gesichert ist. In vielen Fällen werden 3-4 verschiedene Werkzeuge notwendig.

Der allgemeine Durchmesserbereich beträgt 1 - 20mm. Als Werkzeuge werden in 80 bis 90% aller Fälle Vollhartmetall- Schaftfräser oder Kugelschaftfräser eingesetzt, darunter finden Schaftfräser mit großen Eckenradien sehr häufig Anwendung. Die Vollhartmetallschaftfräser verfügen über verstärkte Schneid-kanten sowie neutrale oder negative Spanwinkel (hauptsächlich für Werkstückstoffe mit einer Härte über 54 RC). Ein typisches und wesentliches Werkzeugmerkmal ist ein dicker Kern für eine maximale Biege-festigkeit.

Günstig ist ebenfalls, Kugelschaftfräser mit einer kurzen Schneidkante und Kontaktlänge einzusetzen. Ein weiteres Werkzeugmerkmal ist die Freistich-Funktion, die bei der Bearbeitung von steilen Werkstückwän-den mit kleinem Freiheitsgrad fürs Werkzeug erforderlich ist. Man kann insbesondere zum Schruppen und Vorschlichten auch kleinere Schneidwerkzeuge mit Wendeschneidplatten verwenden. Diese sollten jedoch über eine maximale Schaftstabilität und Biegefestigkeit verfügen. Ein Kegelschaft verbessert die Steifigkeit, wie es auch bei Schäften aus Schwermetall der Fall ist.

Die Geometrie der Form oder des Gesenkes sollte vorzugsweise flach und nicht zu komplex sein. Darun-ter sind bestimmte geometrische Formen für HSM vergleichsweise besser geeignet. Je mehr Möglichkei-

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ten es gibt, die Werkzeugwege im Gleichlauffräsen einzusetzen, desto besser wird das Bearbeitungser-gebnis.

Ein zu beachtendes Hauptparameter beim Schlichten oder Feinschlichten mit HSM in gehärtetem Werk-zeugstahl ist die Verwendung von geringen Schnitttiefen. Die Schnitttiefe sollte 0,2/0,2 mm (ae/ap) nicht überschreiten. Somit soll eine übermäßige Werkzeugablenkung des Spannwerkzeuges/Werkzeuges 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 Vor-schubgeschwindigkeit wird bei konstanter ae/ap auf dauerhaft hohem Niveau verbleiben. Das Ergebnis sind reduzierte mechanische Schwankungen, eine verminderte Belastung der Schneidkante sowie eine verbesserte Standzeit.

7.6 Praktische Definition des Begriffes HSM - HSM bedeutet keinesfalls nur Bearbeiten mit hohen Schnittgeschwindigkeiten. Es muss als

ein Gesamtprozess angesehen werden, der mit sehr speziellen Methoden und Fertigungs-ausrüstungen durchgeführt wird.

- HSM ist nicht unbedingt eine Bearbeitung mit hohen Drehzahlen. In vielen HSM-Einsatzfällen arbeiten großdimensionierte Fräser sogar mit niedrigeren Drehzahlen.

- HSM wird vorzugsweise beim Fertigbearbeiten von gehärtetem Stahl mit hohen Schnittge-schwindigkeiten und Vorschüben durchgeführt, die 4-6 mal über denen der konventionellen Schnittdaten liegen.

- HSM ist ein hochproduktives Verfahren vom Schruppen bis zum Schlichten kleiner Werkstü-cke und vom Schlichten bis zum Superfinish von Werkstücken aller Größenordnungen.

- Die Bedeutung von HSM steigt je mehr Fertigbearbeiten ohne manuelle Nacharbeit gefordert ist.

- Heute wird HSM hauptsächlich auf Maschinen mit 40er-Steilkegeln bzw. HSK-Aufnahmen angewendet.

7.7 Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen Versucht man zu definieren, was unter HSC-Bearbeitung zu verstehen ist, so trifft man auf sehr unter-schiedliche Vorstellungen. Die einen sprechen von extremen Umdrehungsfrequenzen der Spindel, die anderen von wesentlich gesteigerten Vorschubgeschwindigkeiten und dritte von Schnittgeschwindig-keiten, bei denen die Werkstücke kalt bleiben und die vierte Gruppe möchte im Formenbau Oberflä-chengüten bei Stahl erreichen, die eine manuelle Nachbearbeitung zum Polieren überflüssig machen. Erst in letzter Zeit besinnt man sich auch auf die Faktoren, die für die Wirtschaftlichkeit der HSC- Bearbei-tung entscheidend sind, nämlich das hohe Spanvolumen/ min. Dazu müssen die Hauptspindelleistung, die max. Spindelfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit in einem gut abgestimmten Verhältnis ste-hen. Erst die Kombination von hohen Vorschubwerten und hoher Spindelfrequenz ermöglicht eine effi-ziente HSC- Bearbeitung.

HSC- Fräsen arbeitet mit Schnittgeschwindigkeiten , die je nach Werkstoff zwischen 1.000 und 7.000 m/min liegen. Dieser Bereich ergibt sich sicherlich aus den heute verfügbaren Schneidstoffen und der Forderung nach akzeptablen Standzeiten.

Aus diesen unterschiedlichen Anforderungen ergeben sich auch mehrere Blickwinkel, die zu unterschied-lichen Definitionen der HSC- Bearbeitung führen:

HSC ist ein Hochleistungs- Zerspanverfahren, welches vier unterschiedliche Anforderungen erfüllen soll, nämlich:

- entscheidende Hauptzeitverkürzungen durch hohe Drehfrequenzen und Vorschubgeschwin-digkeiten, d. h. hohes Spanvolumen,

- eine Reduzierung der Bearbeitungskräfte durch hohe Spindeldrehfrequenzen,

- Vermeidung der Werkstück-Erwärmung durch Ableitung der Zerspanungswärme in die Spä-ne, und

- erhebliche Qualitätsverbesserungen der bearbeiteten Oberfläche zur Vermeidung von Nach-arbeiten.

Sucht man nach typischen Anwendungsbeispielen, so trifft die erste Definition auf zerspanungsintensive Werkstücke mit hohen Schruppanteilen zu, wie dies häufig im Flugzeugbau bei Integralbauteilen aus Aluminium der Fall ist. Die Grenzen sind hierbei im wesentlichen durch die maximale Spindelleistung gesetzt.


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Die zweite Definition trifft auf die Bearbeitung relativ empfindlicher Werkstückkonturen und Werkzeu-ge zu. Sind beide Komponenten aufgrund ihrer labilen Bauweise hinsichtlich Schwingungen und stati-schen Verformungen anfällig, so kann mit HSC viel besser bearbeitet werden. Verschiedene Werkstoffe, wie beispielsweise Graphit oder Teile aus Aluminium mit dünnwandigen Stegen, lassen sich mit konven-tionellen Maschinen und Schnittbedingungen nicht bearbeiten. Graphit ist ein sehr spröder Werkstoff und bricht leicht aus, dünnwandige Alu-Stege verformen sich durch die Schnittkräfte beim Fräsen und sind nach der Bearbeitung nicht maßhaltig. In diesen Fällen hilft nur die Bearbeitung mit hohen Spindeldreh-zahlen (30.000 bis 100.000 pro Minute) und entsprechend hohen Vorschubgeschwindigkeiten (2 bis 10 m/min). Bei diesen Bedingungen sind die auf das Werkstück einwirkenden Zerspanungskräfte sehr ge-ring, meistens noch mit dem Vorteil kürzerer Bearbeitungszeiten.

Wird an Werkstücken mit thermischem Verzug gerechnet, so bietet auch hier die HSC-Technologie we-sentliche Vorteile. Entsprechend der dritten Definition kann der Hauptanteil der Wärme mit den Spänen aus der Zerspanzone herausgeführt und die Werkstück-Erwärmung vermindert werden. Zudem ist auch die thermische Belastung an den Werkzeugschneiden geringer. Die vierte Definition nutzt der Werkzeug und Formenbau zur Optimierung seiner gesamten Fertigungs- Prozesskette. Das wesentlich schnellere Schlichten ermög

4 spanen mit geometrisch bestimmten...

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