Hochgeschwindigkeits fräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe

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1 Herbert Schulz Hochgeschwindigkeits fräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe mit 429 Abbildungen und 28 Tabellen Carl Hanser Verlag München Wien

2 1 Einleitung 1 2 Historische Entwicklung und Stand der Technik 3 Literatur 6 3 Die Verbundforschungsprojekte des ITW 9 Literatur 12 4 Die Zerspanungstechnologie Wirkmechanismen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten Wirkmechanismen beim Zerspanen duktiler Werkstoffe Wirkmechanismen beim Zerspanen spröder Werkstoffe Wirkmechanismus beim Zerspanen von Mehrkomponenten- Werkstoffen 24 Literatur 27 >/ 4.2 Hochgeschwindigkeitsfräsen von Stahl Problematik der Bearbeitung Zerspanungswerkstoffe Verschleißverhalten der Schneidstoffe Unbeschichtete Hartmetalle Schneidteilgeometrie Schnittgeschwindigkeit Vorschub Radiale Zustellung (Arbeitseingriff) Axiale Zustellung (Schnittbreite) Vergleich unterschiedlicher Hartmetall-Schneidstoffe Einfluß unterschiedlicher Werkstückwerkstoffe Kühlmittel Beschichtete Hartmetalle Voll-Hartmetall-Werkzeuge Cermets Oxidkeramik und whiskerverstärkte Schneidkeramik Nichtoxidkeramik (Siliziumnitrid) Kubisches Bornitrid (CBN) 49 y Hochgeschwindigkeitsfräsen mit geeigneter Schneidteilgeometrie Schnittkräfte Spanbildung Zerspantemperaturen Oberflächenqualität Zusammenfassung 56 Literatur 57 ^ 4.3 Gußeisen Einleitung Verschleißverhalten der Schneidstoffe Hartmetall und Cermet Schneidteil-Geometrie Schnittgeschwindigkeit Vorschub 62/

3 VIII Inhalt Radiale und axiale Zustellung Werkstückwerkstoff Silizium- und Bornitrid Schnittgeschwindigkeit Vorschub Werkstück-Werkstoff Zusammenfassender Vergleich der Schneidstoffe Fräsen mit geeigneter Schneidteil-Geometrie Kräfte Leistungsbedarf und Spanungsvolumen Oberflächenqualität Spanbildung Zusammenfassung 80 Literatur Sonderlegierungen Problematik der Bearbeitung Verschleißverhalten Erscheinungsformen des Verschleißes Einfluß des Verschleißes auf Spanbildung und Zerspanungstemperatur Einfluß des Verschleißes auf Schnittkräfte und-leistung Einfluß des Verschleißes auf Oberflächengüte und Gratbildung Schneidstoffe Kühlschmierung Schneidteilgeometrie Freiwinkel Spanwinkel Neigungswinkel Zerspanungsparameter Schnittgeschwindigkeit Vorschub Radiale Zustellung Axiale Zustellung Gleich- und Gegenlauffräsen Zusammenfassung 107 Literatur 110 -j-4.5 Leichtmetalle Aluminium-Knetlegierungen Einleitung Schneidstoffe Verschleiß Schnittgeschwindigkeit Vorschub Zerspanungsleistung und Schnittkräfte Schnittgeschwindigkeit Vorschub Schneidteilgeometrie Spanwinkel Freiwinkel Neigungswinkel Span-und Werkstücktemperatur 117

4 IX Oberflächenqualität Spezifische Schnittkraft Zusammenfassung Aluminium- und Magnesium-Gußlegierungen Problematik der Bearbeitung Schneidstoff Verschleißformen Verschleißverhalten Schneidteilgeometrie Freiwinkel Spanwinkel Neigungswinkel Schneidkantenradius Fräsen mit optimierter Schneidteilgeometrie Vorschub- und Vorschubnormalkräfte Passivkräfte Schnitt-und Schnittnormalkräfte Aktivkräfte Leistungsbedarf Spezifisches Spanungsvolumen Zerspantemperaturen Oberflächenqualität Spanbildung Zusammenfassung 141 Literatur Kupferlegierungen Problematik der Bearbeitung Schneidstoffe Untersuchte Schneidstoffe Oberflächenqualität Fräskräfte Verschleißverhalten Empfehlungen für die Schneidstoffauswahl Schneidteilgeometrie Oberflächenqualität Fräskräfte Empfehlungen für die Schneidteilgeometrie Hochgeschwindigkeitsfräsen mit geeigneter Schneidteilgeometrie Oberflächenqualität Fräskräfte und Leistungsbedarf Spezifisches Spanungsvolumen und Zeitspanvolumen Spanbildung Kühlschmiermittel Geeignete Schnittparameter Zusammenfassung 173 Literatur Faserverstärkte Kunststoffe Problematik der Bearbeitung Aramidfaser-verstärkte Kunststoffe Zerspanungswerkstoffe Schneidstoffe Schneidteilgeometrie 180

5 Kräfte Schnittkantenqualität Spanbildung Werkstücktemperatur Werkstoffeinfluß Zusammenfassung Kohlenstoff-und glasfaserverstärkte Kunststoffe Zerspanungswerkstoffe Schneidstoffe Schneidteilgeometrie Kräfte Schnittkantenqualität Spanbildung Werkstücktemperatur Zusammenfassung 199 Literatur 201 Fräswerkzeuge Schneidstoffe Schneidteilgeometrie Konstruktive Gestaltung Anforderungen an Vollmaterialwerkzeuge Anforderungen an Wendeplattenwerkzeuge Werkzeug-Konzepte Schaftfräser Wendeplattenfräser Schnittstelle Werkzeug - Hauptspindel Zusammenfassung 209 Literatur 210 Maschinen und Baugruppen Grundkonzept Baukastenbauweise Leichtbau Baugruppen Maschinengestell Hauptspindelsysteme Vorschubantriebssysteme CNC-Steuerungen Späneentsorgungs- und Kühlmittelsysteme Passive und aktive Sicherheitseinrichtungen Werkzeugmaschinengestelle aus Reaktionsharzbeton (RHB) Einleitung Konstruktive Gestaltung Statisches und dynamisches Verhalten Wirtschaftlichkeit 224 Literatur Hauptspindel-Systeme Wälzgelagerte Motorspindeln Bauprinzipien Lagerungen Schmierung Antriebe 232

6 XI Asynchronantriebe Synchronantriebe Frequenzumrichter für Motorspindeln Kühlsysteme Sensorik Dynamisches Verhalten Aktiv-magnetgelagerte Motorspindeln Einleitung Konstruktiver Aufbau Lageregelung Dynamisches Verhalten Zusammenfassung 244 Literatur Werkzeugaufnahme- und -spannsysteme Schnittstelle Spindel - Werkzeug Steilkegel Zylinderschaft Spannsysteme für den automatischen Werkzeugwechsel 252 Literatur Leichtbau bewegter Maschinenbaugruppen (Vorschubeinheiten) Konstruktionswerkstoffe Optimierung durch Rechnereinsatz Verbindungselemente 260 Literatur Antriebs- und Meßsysteme Vorschubspindeln Steifigkeit Temperaturverhalten Wälzlager für Vorschubspindeln Meßsysteme Führungen Lebensdauer und Steifigkeit Dämpfung Werkstoffdämpfung Dämpfung durch Zusatzmassen Reibungsdämpfung 272 Literatur Sicherheitseinrichtungen 273 Literatur Steuerungssysteme CNC-Steuerungen Einleitung Funktionsmodule für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung Geometrieaufbereitung Regelkreise Zusammenfassung 284 Literatur Adaptive Regelungssysteme 286 Literatur Prozeßüberwachung 289 Literatur 291

7 XII Inhalt "1 8 CAD/CAM-Systeme Problematik Fräsbahnabweichung Fertigungshauptzeit Werkzeugverschleiß Wärmeverzug des Werkstückes Schwingungsverhalten des Werkstückes Maschinenbelastung Frässtrategie zur HSC-Bearbeitung Konventionelles Fräsen Auswahl eines geeigneten CAD/CAM-Systems Das CAD/CAM-System EUKLID Arbeitstechnik Die CAD/CAM-Sprache EUKLID Bearbeitungsalgorithmen CAD/CAM für 2V2D-Werkstücke Anforderungen an das zu entwickelnde Programmodul Kontinuierliche Fräsbearbeitung Kontinuierliches Fräsen mit Nachbearbeitung der Eckbereiche (Strategie I) Kontinuierliches Fräsen mit Nachbearbeitung der gesamten Kontur (Strategie II) Kontinuierliches Fräsen großer Werkstücke (Strategie III) Aufbau der Werkzeug- und Zustelldatei Standardelemente zur Unterstützung der Programmierung Vergleich zwischen konventioneller und kontinuierlicher HSC-Frässtrategie ' CAD/CAM für 3D-Werkstücke Anforderungen an die kontinuierliche Frässtrategie Ermittlung der kontinuierlichen Fräsbahn Programmtechnische Realisierung und Datenstruktur der optimalen Lösungsvariante Vergleich zwischen konventioneller und kontinuierlicher HSC-Frässtrategie Zusammenfassung 310 Literatur 311 _. 9 Wirtschaftlichkeit Einleitung Berechnung kostenoptimaler Schnittparameter Beispiele zur Ermittlung kostenoptimaler Schnittparameter Berechnung der Teilkosten Hochgeschwindigkeitsfräsen von Stahl Hochgeschwindigkeitsfräsen von Leichtmetall 320 Literatur Umsetzung in die Praxis Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen Horizontal-Fräsmaschine für den Werkzeugbau Vertikal-Fräsmaschine für den Formenbau Bearbeitungszentrum Sonderfräsmaschinen 327

8 XIII Horizontale Fräsmaschine für große Werkstücke Vertikale Fräsmaschine in Portal-Bauweise Werkstücke Neue Anwendungen 335 Literatur Zusammenfassung und Ausblick Anhang Verwendete Formelzeichen und Einheiten Abkürzungen 343 Register 345 Produktinformationen aus der Industrie Al