HSC-Fräsen von stäubenden Werkstoffen

Unter stäubenden Werkstoffen versteht man die Materialien, bei denen bei spanender Bearbeitung überwiegend kleine Werkstoffbruchstücke (staubartig) als Volumen eines Spanes freigesetzt werden. Zu diesen Werkstoffen gehören die nicht duktilen Werkstoffe mit kristallinen Mischstrukturen, wie z. B. Keramiken, Grafit, gebundener Formstoffsand und Gips. Diese Werkstoffe finden in verschieden Industriebereichen breite Anwendung. Besonders Formwerkzeuge aus stäubenden Materialien für Urformzwecke nehmen in der Anwendung zu. So ist die direkte Herstellung von Urformen ohne Modelle aus diesen Materialien bei geringen Stückzahlen wirtschaftlich. Das direkte Fräsen von Sand- und Keramikformen lassen bei der Herstellung von Gussteilen die Fertigungs- und Durchlaufzeit stark kürzen und Modelkosten sparen. Das Erodieren tief liegender Geometrien in den Metallformen durch gefräste Graphitelektroden bietet ein weiteres Potenzial zur Aufwandsminimierung.

Im Kap. 1 werden die für die spanende Bearbeitung wesentlichen Stoffeigenschaften der Werkstoffgruppen technische Keramik, Graphit, gebundener Sand und Gips und deren spanende Bearbeitung, insbesondere mittels Fräsen, behandelt. Ausgehend von der gemeinsamen Eigenschaft des „Stäubens“ bei der spanenden Bearbeitung wird über ein allgemeines Spanungsmodell auf die spezifischen Eigenschaften der Stoffe hingeführt. Behandelt werden je Stoffgruppe spezifische Eigenschaften und deren Auswirkung beim Spanen auf Belastung, Verschleiß und Genauigkeit. Eine besondere Bedeutung haben diese Werkstoffe für die Fertigung von Urformwerkzeugen aufgrund ihrer hohen thermischen Beständigkeit. Aus dieser Sicht wird das Kapitel abgerundet und eine Überleitung zum Fertigungsprozess selbiger geschaffen.

Im 2. Kapitel werden die Elemente und der Aufbau des Fertigungsprozesses und des Arbeitsplanes beschrieben. Die im weiteren Buch genutzten Begriffe werden inhaltlich und in Beziehung zu einander beschrieben. Wesentliche Bereiche sind dabei der Fertigungsprozess, der Arbeitsgang auch Arbeitsvorgang, die Arbeitsstufe und die Operation. Entsprechende nach REFA definierte Parameter werden eingeführt.

Unter den Prozesskomponenten werden die Fertigungsmittel – Fräsmaschine, Fräswerkzeuge, Spannsystem und Programmiersystem – im Wesentlichen benannt. Deren Auswahl und Zusammenwirken muss entsprechend der Fertigungsaufgabe erfolgen. Im Weiteren wird das Planungsvorgehen auf der Grundlage des Bearbeitungsprozesses vom Groben zum Feinen, d. h. in der Folge Schruppen-Schlichten-Restmaterialbearbeiten dargestellt. Realisiert wird dieses mittels CAM-Programmiersystemen, die spezielle Module zur Programmierung der Werkzeugbewegungen (Modi) beinhalten und mit denen das Bearbeitungsprogramm aufgebaut wird. Wesentliche Modi und deren Anwendung werden kurz erläutert. Fertigungstechnische Besonderheiten, wie Werkzeugsteifigkeit und Aufmaßschwankungen werden angesprochen, die eine spezielle Art der technologischen Vererbung hervorrufen können.

Im ersten Teil des Kapitels wird die Berücksichtigung der Mehrstufigkeit des Fräsprozesses beim Vorgehen des Programmierens besprochen. Ausgehend davon, dass die CAD- und CAM-Funktionen auf verschiedene Weise verbunden sein können wird auf das Vorhandensein einer 3D-CAD-Datenbasis als unabdingbare Grundlage verwiesen. Die verschiedenen Kopplungen werden zum einen für die „NC-Büro-Programmierung“ und zum anderen für die „werkstattorientierte Programmierung“ eingesetzt. Deren Vor- und Nachteile werden diskutiert. Der Einsatz von Simulationstechniken verbessert die NC-Programmqualität. Nach wie vor bringt aber der Programmierer entscheidendes Erfahrungswissen beim Programmieren ein. Die aufeinanderfolgenden Stufen der Bearbeitung sind über die Aufmaßprofile der Oberflächen miteinander verkoppelt. Durch die wirkenden Steifigkeiten des Fertigungssystems bedingt führen schwankende Aufmaße zu entsprechend schwankenden Abweichungen von den Sollprofilen der Schnitte, der sogenannten technologischen Vererbung. Diese und ihre Ursachen sind entsprechend bestimmbar. Entwickelte Methoden dafür werden an Beispielen dargestellt.

Dieses Kapitel stellt den Arbeitsplanungsprozess unter Berücksichtigung von spezifischen Fräsaufgaben für das HSC-Fräsen dar. Es folgen die Auswahl der Fertigungsmittel Maschine, Verfahren und Werkzeuge. Die Flächenarten am Teil und deren Bedeutung für die Planung der Arbeitsstufen und Operationen werden besprochen. Dabei wird die Nutzung der „Feature“-Technik bei der Gestaltung des Prozesses hervorgehoben. Die Bewertung der sich ergebenden Fertigungsfolgen wird mittels zweier Vorgehensweisen (Vorgabewerte vs. analytische Berechnungen) behandelt. Im Weiteren wird die AHP-Methode zur multikriteriellen Bewertung herangezogen. Am Ende des ersten Teils des Kapitels werden Möglichkeiten der Prozesszeitermittlung betrachtet. Neben der Nutzung von Featuren wird auch die Simulationstechnik beachtet. Der zweite Teil des Kapitels stellt auf die stattfindenden und sich andeutenden weiteren technischen Entwicklungen des HSC-Fräsens ab. Neben den laufenden Entwicklungen der Maschinen, deren Steuerungen und der Werkzeuge in evolutionärer Weise deutet sich eine weitere Verfahrensintegration in die Maschinen ab bis hin zur „Hybridisierung“ selbiger.

Zu Beginn des Kapitels wird das Konzept einer „optimalen Fertigung“ als Aufeinanderfolge optimierbarer Schritte, die sich über die technologische Vererbung beeinflussen, diskutiert. Die Optimierung technologischer Prozesse fußt in der Regel wegen der Vielzahl und des Charakters der Einflussgrößen auf empirisch-numerischen Modellen, die Zusammenhänge von Eingangs- und Ausgangsgrößen beschrieben. Der Schnitt und deren Abfolge im HSC-Fräsprozess bilden dabei den Grundbaustein für die Anzahlbegrenzung der Bearbeitungsvarianten entsprechend des oder der Optimierungsziele. Ein wesentliches Mittel der Begrenzung sind mit dem „Rückwärtsentwurf“ des Prozesses verbunden. Hierfür ist als bedeutendstes Optimierungsziel eine geringe Grundzeit der Bearbeitung gewählt.

Im folgenden Unterkapitel wird die Verfahrensoptimierung des Frässchnittes mit dem System der Restriktionen und der Bestimmung der optimalen Arbeitswerte erklärt. Danach erfolgt die Darstellung der optimierenden Vorgehensweise zur Gestaltung des Arbeitsganges entsprechend des Rückwärtsentwurfes von der Fertigteilfläche zum Rohteil und der Abhängigkeiten der Prozessstufen Restmaterial zum Schlichten und Schlichten zum Schruppen.

Das Kapitel behandelt das Vorgehen bei der Entwicklung von überlangen schlanken Werkzeugen (L/D > 20) für das HSC-Fräsen in einem Durchmesserbereich von ca. 3 bis 16 mm. Um den wirtschaftlichen Einsatz dieser schlanken Werkzeuge im HSC-Bereich zu gewährleisten, werden sehr hohe Spindeldrehzahlen benötigt. Aufgrund der 1. Biegeeigenfrequenz stößt man sehr schnell an die Drehzahlgrenzen konventioneller Werkzeuge.

Im Kapitel wird eine Vorgehensweise zur Lösung dieses Problems anhand der Methode TRIZ nach Altschuler vorgestellt. Ausgehend von der erfinderischen Lösung technischer Probleme erfolgt die Darstellung der Anforderungen und des Standes der Technik des Systems WZM-Spindel-Einspannstelle-Werkzeug. Für die Überfahren der 1. Biegefrequenz werden der technische Widerspruch und das ideale Endresultat nach TRIZ herausgearbeitet. Zur Lösung des damit verbundenen technischen Widerspruchs und der Herleitung der erfinderischen Lösung kam die Idee der „kleinen Zwerge“ der TRIZ – Methode zum Einsatz, die das Selbstwuchten und die Resonanzdämpfung herbeiführen sollten. Anhand der Evolutionspotenzial-Analyse wurden die nächsten Entwicklungsschritte aufgezeigt.