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Schaftfräser, die traditionell mit zwei bis vier Schneiden hergestellt werden, werden in einem der ältesten maschinellen Bearbeitungsprozesse eingesetzt – dem Fräsen. Modernste Software, Werkzeugmaschinen, neuartige Strategien, sich ständig verbessernde Techniken und Designaktualisierungen der Werkzeuge selbst machen das Fräsen auch im 21. Jahrhundert nützlich. Der Maschinist, der die Kunst dieser Metallfresser beherrscht, kann seiner Werkstatt Zeit und Geld sparen und gleichzeitig hochwertige Teile herstellen.

„Bei einem typischen, traditionellen Ansatz, bei dem Maschinisten Schaftfräser für mehr Material [Abtrag] und mehr Schruppen verwenden, und wenn das Werkzeug tiefer liegt, würden sie weniger Spannuten verwenden“, sagte Drew Strauchen, Executive Vice President der GWS Tool Group , Tavares, Florida. „Gemäß der landläufigen Meinung werden beim Schruppen zwei- oder dreischneidige Schaftfräser eingesetzt, während beim Vorschlichten und Schlichten mehr Schneiden verwendet werden – vier, fünf und mehr.“

Traditionen und Konventionen können sich jedoch ändern.

„Es gibt viele moderne Bearbeitungstechniken und -strategien, die [diese Weisheit] wirklich auf den Kopf stellen“, sagte Strauchen. Heutzutage ermöglichen schnellere Maschinen mit mehr Leistung und schnelleren, präziseren Spindeln aggressive Bearbeitungsstrategien wie das hocheffiziente Fräsen (HEM), auch bekannt als dynamisches Fräsen, und das Trochoidenfräsen.

„Dynamisches Fräsen ist definiert als eine Methode, die mit einer großen axialen Schnitttiefe (DOC) und einer kleinen radialen Schnitttiefe durchgeführt wird, um die Eingriffszeit der Schneidkante eines Schaftfräsers zu verkürzen, wodurch die Kraftbelastung auf das Werkzeug und die Spindel reduziert wird.“ die Erzeugung von Schneidwärme und erhöht gleichzeitig die Menge des entfernten Materials“, sagte Tyler Hashizume, Produktingenieur II, OSG USA Inc., St. Charles, Illinois.

Beim dynamischen Fräsen kommt es auf die Fähigkeit der CAD/CAM-Software an, ein trochoidales Fräsprogramm zu erstellen. eine Fräsmaschine zum Lesen komplizierter Trochoidenprogramme mit hoher Geschwindigkeit; und eine Maschine, die Spindel und Tisch schnell bewegen kann.

„Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, ist es möglich, dass nicht nur eine hohe Effizienz erreicht wird, sondern auch die Werkzeugstandzeit und die Lebensdauer der Maschinenspindel deutlich verlängert werden“, sagte Hashizume. „In einer solchen Umgebung ist es weniger wichtig, die Spanabfuhr durch die Vergrößerung der Spantasche des Schaftfräsers zu berücksichtigen, sondern vielmehr, wie man die Anzahl der Spannuten erhöht, um die Werkzeugsteifigkeit und Vorschubgeschwindigkeit zu erhöhen und so eine hohe Effizienz zu erreichen.“

Im Gegensatz zum linearen radialen Werkzeugweg bei der konventionellen Bearbeitung wird beim Trochoidenfräsen ein spiralförmiger (oder D-förmiger) Werkzeugweg mit einem niedrigen radialen DOC verwendet, um die Belastung und den Verschleiß des Werkzeugs zu reduzieren. Da beim Trochoidenfräsen ein Werkzeug zum Bearbeiten eines Schlitzes verwendet wird, der breiter als sein Schnittdurchmesser ist, kann dasselbe Werkzeug zum Erstellen von Schlitzen unterschiedlicher Größe verwendet werden. Dies kann je nach Anforderungen des Teils Platz im Werkzeugkarussell freigeben und beim Werkzeugwechsel Zeit sparen.

Diese Strategien verändern die Art und Weise, wie ein Maschinist eine Arbeit angeht, und es wird immer beliebter, dass Maschinisten mehrschneidige Schaftfräser – solche mit fünf oder mehr Schneiden – verwenden, um sowohl Schrupp- als auch Schlichtarbeiten durchzuführen, sodass das Werkzeugkarussell nicht mehr mit einem Werkzeug gefüllt werden muss Auswahl an verschiedenen Schaftfräsern. Diese modernen Strategien verringern die Notwendigkeit, das Werkzeug in ein Teil zu vergraben, und verringern die Sorge, dass sich Späne in den Spannuten verstopfen, was zu einem Bruch des Schaftfräsers und zum Ausfall des bearbeiteten Teils führen kann.

Durch den Wegfall der Notwendigkeit, eine Mühle gegen eine andere auszutauschen, und den Einsatz modernster Techniken können die Maschinenbauer von heute schneller arbeiten, was zu einer höheren Produktivität führt.

Die Frage ist: Wie kann ein Maschinist scheinbar den Gesetzen der Physik trotzen und die Geschwindigkeit eines höher gezahnten Werkzeugs nutzen, ohne es durch Späne zu verstopfen und zum Bruch zu bringen? Die Antwort liegt in neuen Programmierstrategien. Heutzutage ermöglicht CAD/CAM-Software mit integrierter hochentwickelter Werkzeugweggenerierung Programmierern die Erstellung effizienterer Werkzeugwege, die schnell sind, aber verhindern, dass das Werkzeug in Gefahrenzonen gerät. Der Ansatz der Software ist sehr spezifisch, so dass sich das Fräsunternehmen nie zu sehr mit dem Teil beschäftigt. Benutzer können der CAM-Software sagen: „Ich möchte diesen Umfang des Werkzeugeingriffs nicht überschreiten“, und die Anwendung erstellt den erforderlichen Werkzeugweg, um sicherzustellen, dass das Werkzeug nie über den von ihm definierten Punkt hinaus in Eingriff kommt.

Edwin Tonne, Schulungs- und technischer Spezialist bei Horn USA Inc., Franklin, Tennessee, sagte, dass die Anwendung von mehrschneidigen Schaftfräsern in der Vor- und Endbearbeitung von Werkstücken liegt. „Aber wenn die Werkstatt bereit ist, den Job neu zu programmieren, können Mehrschneidwerkzeuge sowohl zum Schruppen als auch zum Taschenfräsen verwendet werden“, sagte er.

Tonne stimmte Strauchen zu, dass moderne CAM-Software dabei hilft, Prozesse wie Wirbelfräsen und hochdynamisches Fräsen zu ermöglichen. „CAM-Software ist beim hochdynamischen Fräsen wirklich gut geworden, wo es um die Verwaltung der Spandicke geht“, sagte er. „Das können Sie also bei einer Schruppbearbeitung verwenden.“

Tonne stimmte außerdem zu, dass die Software Prozesse ermöglicht, die zu einer höheren Produktivität führen. Beim Trochoidenfräsen „verfügt der Schnitt über einige Zeit unproduktiver Zeit, aber [der Prozess] macht das mehr als wett, weil man selbst mit einem kleinen Schaftfräser einen wirklich großen axialen DOC erreichen kann“, sagte er.

Die neueren Prozesse, die durch moderne CAM-Software ermöglicht werden, sind ein Segen für die Bearbeitung harter Materialien, die mit geringem radialen Eingriff bearbeitet werden müssen, was andernfalls zu einem Bruch des Schaftfräsers führen würde. Wenn beispielsweise Stahl mit mehr als 50–60 HRC bearbeitet wird, bricht ein zweischneidiger Schaftfräser wahrscheinlich.

„Aber mit einem mehrschneidigen Schaftfräser mit Hochgeschwindigkeitstechnik und geringem radialen Eingriff können Sie einen Schlitz oder jede Art von Merkmal darin fräsen“, sagte Tonne.

Neuere Software und Bearbeitungstechniken können sogar dazu beitragen, dass eine ältere Maschine wie ein glänzendes neues Modell funktioniert. „Wenn sie über Maschinen mit mäßiger Geschwindigkeit verfügen, kann eine ältere Maschine mit mäßigen Fähigkeiten – wenn sie mit einer neuen Bearbeitungsstrategie kombiniert wird – oft immer noch von modernen hocheffizienten Bearbeitungs- und Werkzeugwegstrategien profitieren“, sagte Strauchen. „Der beste Weg, dies herauszufinden, besteht darin, Spezialisten hinzuzuziehen, die sich mit modernen Programmiertechniken auskennen … und den Kunden dabei zu helfen, das Beste aus ihrem Potenzial herauszuholen.“

Noch ermutigendere Neuigkeiten gibt es für kleinere Betriebe, wenn es um mehrschneidige Schaftfräser und CAM-Software geht. „Sie sind großartige Werkzeuge für Maschinen mit geringer Leistung und kleineren Konizitäten wie 40-Konus-Maschinen, da wir mit mehreren Schneiden tiefe axiale Schnitte ausführen und die radialen Kräfte ausgleichen, indem wir die Länge des Werkzeugs für Stabilität nutzen“, sagte Matt Clynch, National Produktspezialist-Fräsen, Iscar USA, Arlington, Texas. „Wenn wir bei diesen kleineren Kegelmaschinen tiefe radiale Schnitte mit großen Schnittbreiten vornehmen, würde sich die Maschine verbiegen und die Baugruppe umkippen.“

Der Einsatz dieser Werkzeuge in einer HEM/VoluMill-Umgebung (Werkzeugwegsoftware von Celeritive Technologies, Moorpark, Kalifornien) werde Montagekatastrophen mildern, sagte er. Dieser Ansatz kann die kleineren konischen Maschinen gegenüber größeren konischen Maschinen konkurrenzfähig machen. „Die Zerspanungsraten, die wir erreichen können, liegen sehr nahe beieinander, wenn sie nicht tatsächlich die Standardmethode zum Schruppen von Material auf größeren Kegelmaschinen wie 50-Kegel und HSK A100 übertreffen“, sagte Clynch. Dadurch kann ein breiteres Segment der Industrie wettbewerbsfähig sein, da kleinere Kegelmaschinen kostengünstiger und leichter zu erlernen sind.

„Alle CAM-Systeme haben unterschiedliche Namen für diese Art der Programmierung“, sagte er. „HEM, VoluMill – davon gibt es alle möglichen. Wenn Sie dem Ganzen wirklich einen pauschalen Namen geben wollen, wäre es „optimiertes Schruppen“. Diese CAM-Systeme haben es so einfach gemacht. Sie sagen einfach, dass dies mein Prozentsatz des Durchmessers und der Schnittbreite ist, und es erledigt einen Großteil der Hintergrundberechnung für erhöhte Oberflächenaufnahmen und die Korrektur der Vorschubgeschwindigkeiten. Es berechnet den Werkzeugweg für Sie. Es ist einfach so machte es für den kleinen Kerl so viel einfacher, konkurrenzfähig zu sein.

Clynch bietet jedoch mehrere Vorsichtsmaßnahmen an. Bei Verwendung dieser Strategie müssen die Beschleunigungs-/Verzögerungsraten einer Werkzeugmaschine höher sein, da die Maschine bei kleineren Bewegungen, die das Werkzeug ausführt, stärker hoch- und runterfahren muss, um die Geschwindigkeit anzupassen. Die Werkzeugmaschine benötigt mehr Speicher für längere Programme und benötigt außerdem genügend „Look-Ahead“ oder Pufferspeicher, um reibungslos zu laufen. Wenn die Maschine den Code nicht schnell genug lesen kann, ruckelt sie, bleibt stehen oder bleibt stehen und versucht, mitzuhalten, sagte er.

Wie kann der Einsatz von mehrschneidigen Schaftfräsern zu einer höheren Produktivität führen, wenn sie so kleine Metallstückchen bearbeiten? „Da der normale Betrieb der Mehrschneide zu einem verringerten radialen Eingriff führt, sagen wir weniger als 25 Prozent des Durchmessers, ist der Kontaktbogen kleiner“, sagte Horn's Tonne. Dies ermöglicht die Nutzung des zwei- bis dreifachen normalen Schnittgeschwindigkeitsbereichs.

Der DOC kann ebenfalls erhöht werden. Beispielsweise könnte der Maschinist einen Prozess mit einem zweischneidigen Schaftfräser mit 5/8 Zoll (1,6 cm) Durchmesser auf Titan 6AL-4V bei 130 sfm unter Verwendung von Vollnutenfräsen und dem 1-fachen DOC-Durchmesser für eine Produktivität von 1,49 in³/ ausführen. min. (24,4 cm3/min). Die Durchführung des gleichen Prozesses mit einem achtschneidigen Schaftfräser mit 230 sfm und 0,019" (0,048 cm) radialem Eingriff oder Schnittbreite und 2-facher Schnitttiefe im Durchmesser erhöht die Produktivität auf 1,57 in³/min. (25,7 cm3/min.). „Der Nettogewinn an Produktivität ist also erheblich“, sagte Tonne.

Durch das Hinzufügen von Nuten kann der Maschinist den Vorschub pro Nut verringern und dennoch den gleichen Vorschub beibehalten wie bei einem Schaftfräser mit einer geringeren Nutenzahl. Ersetzen Sie beispielsweise einen Schaftfräser mit vier Schneiden und 0,005 cm (0,002 Zoll) pro Nut durch einen Schaftfräser mit fünf Schneiden und behalten Sie den gleichen Vorschub bei verringertem Druck pro Nut bei Werkzeugverschleiß, ohne Ihre Produktivität zu beeinträchtigen“, sagte Tonne. „Die lineare Vorschubgeschwindigkeit kann gleich bleiben und die Zykluszeit bleibt gleich, aber Sie verringern den Abschnitt, den jede Nut einnehmen muss.“

Man dürfe die Zykluszeit jedoch nicht mit der Werkzeuglebensdauer gleichsetzen, sagte Clynch. Nur weil eine Maschine sechs Stunden lief, heißt das nicht, dass sie sechs Stunden Werkzeuglebensdauer benötigte. Aufgrund des kurzen Kontaktbogens war der Schaftfräser möglicherweise nur einen Bruchteil dieser Zeit mit dem Werkstück im Eingriff. „Achten Sie genau darauf, um sicherzustellen, dass Sie die maximale Lebensdauer Ihrer Werkzeuge nutzen“, sagte er. „Wenn nicht, lassen Sie möglicherweise Geld auf dem Tisch liegen!“

Bei einer höheren Anzahl von Spannuten werden jedoch die Spanbildung und die Spanabfuhr zu Problemen. Entschärfen Sie diese Bedenken, indem Sie den radialen Eingriff und die Tischvorschübe an die Anwendung und das Zielmaterial anpassen. Auswahl des richtigen Werkzeugs für eine bestimmte Anwendung; und die Auswahl von Werkzeugen, die auf eine große Anzahl von Spannuten zugeschnitten sind – zum Beispiel solche mit einem speziellen Kerndesign, das einen größeren Spannutenraum zum vorderen Ende hin ermöglicht, oder ein Design, das die Spanbildung optimiert.

„Sehr wichtig ist die Menge an Kühlmittel, die bereitgestellt werden kann, und sicherzustellen, dass die Richtung des Kühlmittelstroms die Spanabfuhr aus der Schneidzone maximiert“, sagte Bernd Fiedler, leitender Produktmanager für Vollschaftfräsen bei Kennametal, Fürth, Deutschland. „Manchmal kann Hochdruckluft eine gute Option sein, um Späne aus dem Arbeitsbereich zu entfernen und ein Verstopfen der Späne, insbesondere in Taschen, zu verhindern.“

Je höher die Anzahl der Spannuten pro gegebenem Durchmesser, desto kleiner ist der Spannutenraum am Schaftfräser, sagte Fiedler. Abhängig vom Material und seinem spezifischen Spanbildungsverhalten ist eine ausreichende Spanabfuhr entscheidend und muss genau beobachtet werden. Im Allgemeinen bewegt sich abgeschnittenes Material bis zum Kern und zerbricht oder rollt in Späne, aber es ist hilfreich zu wissen, wie man verschiedene Materialien und ihre Tendenzen erkennt. Stähle bis 45 HRC neigen je nach Legierungsart zum Rollen und anschließenden Bruch. Gehärtete Stähle sind spröde und erzeugen dünne Späne. Im Allgemeinen neigen rostfreie Stähle weniger zum Rollen, dies ist jedoch auch stark von der Legierung abhängig. Gusseisen zerfällt in Staubpartikel. Titan neigt dazu, sich zu wellen und füllt den verfügbaren Nutraum schnell aus.

„Es gibt mehrere allgemeine Indikatoren dafür, dass die Spanbildung unzureichend ist“, sagte Fiedler. „Späne sind stark gewellt oder wellig, haben keine gleichmäßige Kante oder sind stark gefärbt. Zum Beispiel, wenn die Seite, die über die Schnittkante rollt, nicht mehr glänzt, sondern Farbveränderungen zeigt.“

Was tun, wenn die Spanbildung nicht richtig aussieht? „Eine einfache Antwort darauf gibt es leider nicht. Das hängt von der Anwendung und dem Material ab“, sagte Fiedler. Bei Farbveränderungen der Späne muss die Kühlmittelzufuhr in den Arbeitsbereich verbessert werden. Die Ursache hierfür können Vibrationen sein, weshalb die Werkzeug- und Werkstückspannung überprüft werden muss. Eine Änderung der Vorschubraten und des axialen DOC kann ebenfalls hilfreich sein. Kräuseln und Kräuseln der Späne weist häufig auf zu hohe Vorschubgeschwindigkeiten hin. Daher kann eine Anpassung der Vorschubgeschwindigkeiten hilfreich sein. Es ist jedoch wichtig, eine ausreichende durchschnittliche Spandicke beizubehalten

Gibt es eine Begrenzung für die Anzahl der Spannuten pro Schaftfräser? Die primäre Methode zur Herstellung von Schaftfräsern ist das Schleifen mit automatischen NC-Schleifmaschinen, sagte Hashizume von OSG. Solange sie mit solchen Maschinen hergestellt werden, erlegen die Möglichkeiten der CAD/CAM-Anwendungen und der Schleifmaschinen selbst (insbesondere die Größe der Schleifscheibe) Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl der möglichen Nuten auf. „Je größer der Außendurchmesser des hergestellten Schaftfräsers ist, desto größer ist der Raum, der für eine Schneidkante genutzt werden kann, und desto mehr Schneidkanten können hergestellt werden“, sagte Hashizume. Die maximale Anzahl der Spannuten hänge vom Durchmesser des Werkzeugs ab, stimmte Tonne zu.

Nach dem, was er in der Branche gesehen hat, sind 20 Spannuten auf einem 1,25-Zoll-Werkzeug (3,18 cm) das Maximum. „Bei so vielen Spannuten beträgt der radiale Eingriff aufgrund des begrenzten nutzbaren Spannutenvolumens viel weniger als 10 Prozent“, sagte er „Sie beginnen also, die Praktikabilität bei den meisten Anwendungen zu verringern oder Ihre Arbeit auf die reine Endbearbeitung und nicht viel mehr zu beschränken.“

„Vergessen Sie nicht das Material, das Sie entfernen“, sagte Clynch. „Theoretisch gibt es keine Grenze, aber man muss einen Platz haben, damit sich der Chip richtig formen kann“, sagte er. Für normale Alltagsmaterialien wie ISO P, ISO M und Hochtemperaturlegierungen muss die Anzahl der Nuten begrenzt sein. Als Faustregel gilt, dass man für jeden Millimeter Durchmesser eines Werkzeugs eine Nut erhält, sagte er. Bei Werkzeugen mit einem Durchmesser von ½ Zoll (12,7 mm) beträgt die maximal wirksame Nutenzahl beispielsweise 12 und bei Werkzeugen mit einem Durchmesser von 1 Zoll (25,4 mm) beträgt die maximal wirksame Nutenzahl 25. „Für „Aus praktischen Gründen ist das ein guter Weg“, sagte Clynch.

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