Zerspanungslösungen für den Werkzeug und Formenbau

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1 _MAV Expertentreff 5-Achs-Fräsen 09. Mai 2012 Zerspanungslösungen für den Werkzeug und Formenbau 1 by Walter AG

2 Gliederung Der Werkzeugbau kann in die folgenden Spezialgebiete unterteilt werden: Umformwerkzeuge (z.b. Stanzwerkzeugbau, Zieh- und Drückwerkzeuge) Urformwerkzeuge (z.b. Formenbau, Giesserei- und Kunststoffspritz- Werkzeuge) Vorrichtungsbau und den Lehrenbau Formenbau bzw. Formbau Formwerkzeuge sind überwiegend sehr aufwändige und teure Sonderwerkzeuge, als Einzelstücke Hauptprodukt eines spezialisierten Werkzeugbaus, dem sog. Formenbau sind. Quelle; 2 by Walter AG

3 Auszug aus den Material Spektrum Nicht Korrosionsbeständig: Vorvergütete Stähle z. B , Durchhärtende Stähle z. B , Einsatzstähle z. B Korrosionsbeständig: Vorvergütete Stähle z. B , Durchhärtende Stähle z. B Nichteisenmetalle z. B. Cu Be Legierungen Quelle: 3 by Walter AG

4 Auswirkungen der Werkstücktrends auf die Zerspanung Kleinere Werkzeugdurchmesser Bearbeitung edelerer und härterer Materialien Höhere Genauigkeiten am Bauteil Kleinere Toleranzen am Werkzeug Beste Oberflächenqualitäten Zerspanbarkeit 4 by Walter AG

5 5-Achs-Simultan Fräsen Nutzen: weniger Stillstandzeiten durch höhere Prozesssicherheit aufgrund kürzerer Werkzeuge durch eine Reduzierung des Schwingungsverhalten kürzere Bearbeitungszeiten durch höhere variable Schnittparameter, da stabilere Bearbeitungsbedingungen 5 by Walter AG

6 Einfluß der Werkzeugwinkel auf die Durchbiegung Die Größe der radialen Kraftkomponente bedingt auch die Durchbiegung eines Komplettwerkzeugs. Eckfräser mit Anstellwinkel 90 bewirken große Radialkräfte, Werkzeuge mit kleinerem Anstellwinkel bewirken kleinere Radialkräfte. 6 by Walter AG

7 Einfluß der Werkzeugwinkel auf die Durchbiegung Anstellwinkel κ [ ] Radialkraft F R Axialkraft F A % 0% 88 99,9% 3,5% 75 96,6% 25,9% 45 70,7% 70,7% 21 35,8% 93,4% 15 25,9% 96,6% Darstellung: theoretisch errechnete Größen der Axial- und Radialkraft in Abhängigkeit vom Einstellwinkel κ. Annahme: beim Eckfräser mit κ=90 wirkt die Kraft zu 100% in radialer Richtung. Bei κ=45 weisen die radiale und axiale Komponente jeweils nur noch 70% der Größe der Ausgangskraft auf. Diese Charakteristik ist im Verlauf der Sinus- und Cosinus-Funktion begründet, die die Größe der Komponenten bestimmen. = F sinκ F = F cos κ FR N A N 7 by Walter AG

8 Durchbiegung und Flächenmoment 2. Grades f F R l 1 E f F E l = 3 R 1 3 l y Durchbiegung [mm] Radialkraft [N] Auskraglänge [mm] E-Modul [N/mm²] für Stahl N/mm² l y Flächenmoment 2. Grades [mm 4 ] d Durchbiegung f [mm] Flächenmoment l y 2. Grades [mm 4 ] l y Quelle: Rollof Matek Maschinenelemente = π d 64 4 (Aufnahme) Durchmesser [mm] 8 by Walter AG

9 Einfluß auf die Durchbiegung der Aufnahme Die Durchbiegung eines einseitig fest eingespannten Balkens (z. B. bei einer Werkzeugaufnahme) wird maßgeblich durch zwei Faktoren bestimmt: Die Länge des Werkzeugs geht in der dritten Potenz ein, d.h. sie hat einen sehr großen Einfluss auf die Durchbiegung. Die zweite stark beeinflussende Komponente ist der Aufnahmedurchmesser, der über das Flächenmoment 2. Grades in der 4. Potenz eingeht. Beispiel: Wird der Aufnahmedurchmesser beispielsweise von 63 auf 60 mm reduziert wird das Flächenmoment 2. Grades und damit die Stabilität des Systems rechnerisch um 18,8% verringert. 9 by Walter AG

10 Anwendungsbeispiel flacher Einstellwinkel k HPC-Fräser Baureihe F2330 positive Wendeschneidplatte Tiger Tec Silver Schneidstoff Κ = 0-15 je nach axialer Schnitttiefe ap [mm] 10 by Walter AG

11 Anwendungsbeispiel flacher Einstellwinkel k Verwendung modulares Aufnahmesystem Walter NCT Merkmale: Steilkegelwinkel nach ISO Axiale Verbindung zweier Komponenten durch große Plananlage Dadurch Aufnahme von großen Biegekräften möglich Radiale Abstützung Ringförmige Anlagefläche Innenkegel Schraube Gewindering Außenkegel 11 by Walter AG

12 Mögliche Auskraglängen Aufnahmedurchmesser 63 mm Steilkegel SK50 DIN F2330.B.066.Z04.02 P26335-R25 WXP45 Z 4 v c [m/min] 65 f z [mm] 0,90 v f [mm/min] 1152 a e [mm] 60 a p [mm] 1,0 Bemerkungen Obere Vorschubsgrenze Material: CrMo4V R m = 750 N/mm 2 12 by Walter AG

13 Mögliche Auskraglängen Aufnahmedurchmesser 63 mm Steilkegel SK50 DIN F2330.B.066.Z04.02 P26335-R25 WXP45 Z 2 v c [m/min] 33 f z [mm] 0,15 v f [mm/min] 48,3 a e [mm] 60 a p [mm] 0,5 Bemerkungen Leichte Vibrationen Material: CrMo4V R m = 750 N/mm 2 13 by Walter AG

14 Hochleistungsfräsen HPC Hintergrund: HPC- Bearbeitung heißt Schruppen mit maximaler Abtragsrate unter Verwendung neuer Strategien und Werkzeuge Ziel: maximales Zeitspanvolumen Q (in cm³/min) Situation: Moderne Maschinen (BAZ) mit Spindel- Drehzahlen von min -1 begrenzte Leistung und Drehmoment Motorspindeln sind sehr dynamisch aber sensibel konventionelles Fräsen oft nicht möglich Lösung: Bearbeitung mit kleineren Schnittiefen Erhöhung der Schnittwerte V c und f z 14 by Walter AG

15 Hochleistungsfräsen HPC Anforderung an den Schneidstoff gesteigerte Kantenfestigkeit für mehr Prozesssicherheit glatte Spanfläche für geringe Reibung temperaturbeständige Beschichtung für hohe Schnittparameter 15 by Walter AG

16 Hochleistungsfräsen HPC Anforderung an den Schneidstoff Höhere Maschinenverfügbarkeit durch erhöhte Prozesssicherheit dank innovativer Nachbehandlung der Beschichtungstechnologie Höhere Produktivität durch hohe Schnittgeschwindigkeit dank temperaturbeständigen Beschichtungstechnologie Hervorragender Standzeitvorteil auch bei der Nassbearbeitung bester Widerstand gegen Kammrisse, Thermoschock Stand der Technik 16 by Walter AG

17 Hochleistungsfräsen HPC Strategie, Vc, Vf, Q im Vergleich ø10 ap = 2,0mm 6,00 mm Beispiel: Zerspanungsquerschnitt A= 12,0 mm² Werkstoff , 52HRC ø10 ap=20mm ae=6,0mm Fräser 10, z=4 Vc = 72 m/min fz = 0,062 mm/z vf = 561 mm/min Eingriffswinkel ae=0,6mm Fräser 10, z=6 Vc = 109 m/min fz = 0,086 mm/z vf = mm/min Q = 6,7 cm³/min N50_seitlich Q = 22,0 cm³/min 17 by Walter AG

18 Einfluss des Einstellwinkels k auf die Spanungsdicke h f z f z f z f z f z h 2 h h h h1 a p κ= 90 κ= 60 κ= 45 κ= 30 sin 90 = 1 sin 60 = 0,87 sin 45 = 0,71 sin 30 = 0,5 h = f z sin κ κ = Kappa 18 by Walter AG

19 Werkzeugbeispiel flacher Einstellwinkel k HPC-Fräser Baureihe H Flash Flacher Einstellwinkel Schruppen bei längeren Auskragungen 19 by Walter AG

20 Hochleistungsfräsen HPC, Effektivwerte Torische Fräser 1. programmierter Zahnvorschub ae ae ap 2. tatsächliche Spanungsdicke Reduzierte Spanungsdicke Erhöhung hung des Vorschubs 1,00m m Reduzierter Durchmesser erhöhte Drehzahl! ap an 90 Wand keine Optimierung möglich!! prototyp_protostar_flash 20 by Walter AG

21 Beisp.: , 52 HRC, Zerspanungsquerschnitt A=12 mm 2 ø10 ap= 2mm ap = 1mm ap=20mm ae=6mm ae=7,5mm ae=0,6mm Fräser 10, z=6 Vc = 72 m/min fz = 0,062 vf = 561 mm/min Q = 6,7 cm³/min Fräser 10, z=6 / R50 Vc = 109 m/min fz = 0,086 vf = mm/min Q = 22,0 cm³/min Fräser 10, R2, z=6 Vceff= 127 m/min fz = 0,061 vf = mm/min Q = 18,0 cm³/min Fräser 10, R3, z=6 Vceff= 135 m/min fz = 0,075 vf = mm/min Q = 23,0 cm³/min 21 by Walter AG

22 Schruppen mit Torischen Werkzeugen Strategie 1: Kugelfräser ø6, z2, ae=0,5 mm ap=1 mm Strategie 2: Kugelfräser ø6, z2, ae=3 mm ap=0,6 mm Strategie 3: torischer Fräser ø8, R2, z6, ae=5,0 mm ap=0,4 mm 16 Lagen 25 Lagen 38 Lagen Vc=225 m/min Vf=3000 mm/min Q = 1,5 cm³/min Vc=170 m/min Vf=1700 mm/min Q = 3,1 cm³/min Vc=125 m/min Vf=3000 mm/min Q = 6,2 cm³/min 22 by Walter AG

23 Hochleistungsfräsen HPC, Schnittdatenbank CCS Empfehlung von Schnittwerten bezogen auf die: Anwendung und den zu bearbeitenden Werkstoff verwendete Maschine / Umfeld Eintauchbewegung Verbindliche Aussagen über: Zustellungen (ae / ap) Schnittgeschwindigkeit / Drehzahl Zahnvorschub / Vorschub 23 by Walter AG

24 Hochleistungsfräsen HPC, Ergebnisse Schnittdatenbank generelle Empfehlungen für max. Q : Torus ae 60% * d1 ap 1/3 * R Kugelfräser ae 50% * d1 ap 0,1 * d1 Bei sehr schwierigen Werkstoffen oder hoher Härte müssen die Werte reduziert werden! x6 Kugel 12 R6 Z2 Torus 12 R3 Z6 Beispiel Flaschenboden in 52 HRC 24 by Walter AG

25 Hochleistungsfräsen HSC Hintergrund: HSC- Bearbeitung heißt Schlichten mit neuen Strategien und Werkzeugen Ziel: bestmögliche Oberflächenqualit chenqualität t in der kürzest k möglichen m Zeit Situation: wenn möglich keine manuelle Nacharbeit nach dem Schlichten Zeitaufwand beim Schlichten reduzieren Lösung: genaue Vorbearbeitung der Bauteile (Restmaterialbearbeitung) Reduzierung des Aufmaßes Reduzierung der Schrittweite (ae) Anwendung effektiver Schnittdaten 25 by Walter AG

26 HSC-Bearbeitung, Strategie beste Oberflächengüte Bestmögliche Oberflächengüte ae = fz - Oberflächenrauheit in jeder Richtung identisch - Oberfläche sehr gut zu polieren ae = fz ae fz 26 by Walter AG

27 HSC-Bearbeitung, Strategie beste Oberflächengüte Radiuskopierfräser der Baureihe H Spezielles Hartmetall mit hoher Verschleißfestigkeit Neueste TiAL(Si)N- Beschichtung für hohen Thermoschutz der Schneide sowie höhere Schnittwerte und Standzeiten 27 by Walter AG

28 HSC-Bearbeitung, Strategie beste Oberflächengüte Beispiel: Fräser Ø 10 mm, ae=ap=0,2 mm Material: 42CrMo4, R m =1000 N/mm² Standardwerte n= min -1 Vf= 3436 mm/min Effektivwerte n= min -1 Vf= 5225 mm/min 28 by Walter AG

29 Problemlöser Strategie Trochoides Fräsen Hintergrund: Einsatz bei schwierigen Bedingungen z. B. labile Werkstücke, bei schwerzerspanbaren Werkstoffen sowie bei der Hartbearbeitung. Ziel: sehr hohe Prozesssicherheit bei konstanten Schnittbedingungen. Situation: Vermeidung von Vollschnitten, dadurch sicherer Prozess, keine Gefahr von Werkzeugbruch Für Spindeln mit wenig Leistung und Drehmoment geeignet geringe Axialkräfte, Vermeidung von Vibrationen Lösung: Fräser-Ø = max. 66% der Nutbreite ae = 1-10% x D C (abhängig vom Material) ap = komplette Schneidenlänge D C 29 by Walter AG

30 Trochoides Fräsen Bearbeitungsbeispiel 30,00 mm 25,00 mm Fräsen der Nut aus dem vollen Material Werkstoff: 42CrMo4 R m =1025 N/mm² 100 mm 30 by Walter AG

31 Trochoides Fräsen Bearbeitungsbeispiel 1. Strategie VHM- Fräser z=4 / 50 Harte Jungs Durchmesser 20 mm i= 3 Schnitte mit jeweils optimalen Schnittwerten by Walter AG

32 Trochoides Fräsen Bearbeitungsbeispiel 2. Strategie VHM- Fräser z=4 / 50 Protomax St Durchmesser 20 mm i= 3 Schnitte mit jeweils optimalen Schnittwerten by Walter AG

33 Trochoides Fräsen Bearbeitungsbeispiel 3. Strategie VHM- Fräser z=4 / 50 Harte Jungs Durchmesser 20 mm ap=25 mm, ae=1 mm in zirkularen Kreisbewegungen 33 by Walter AG

34 Trochoides Fräsen Bearbeitungsbeispiel 4. Strategie VHM- Fräser z=8 Durchmesser 20 mm ap=25 mm, ae=1 mm in zirkularen Kreisbewegungen 34 by Walter AG

35 Trochoides Fräsen Ergebnis Bearbeitungsbeispiel Strategie Vc / fz (m/min) (mm) Zeit (min) Kosten pro Bauteil ( ) 80 /h Q (cm³/min ) Maxwert Drehmoment (Nm) Maxwert 1) VHM z4 20mm H Harte Jungs 2) VHM z4 20mm H Protomax ST 114 / 0, / 0, / 0, / 0, / 0,165 0,35 0, ,25 0, ) VHM z4 20mm H Harte Jungs 300 / 0,18 1,90 2, ) VHM z8 20mm H N50 Mehrschneider 280 / 0,18 1,00 1, by Walter AG

36 Hartbearbeitung Ab welcher Härte spricht man von Hartfräsen? ab 48 HRC l 490 HV l 1600 N/mm² Unterschiede Weich- zu Hartfräsen: Werkzeuggeometrien Schneidstoff Kühlung Schnitttiefen Schnittgeschwindigkeit 36 by Walter AG

37 Vielen Dank!