Maximierung der Effizienz von Fräsmaschinen in der Metallverarbeitung

Optimierung der Zeitspannung mit Hochleistungsmilling (HEM)

Warum herkömmliches Fräsen das Potenzial moderner Fräsmaschinen begrenzt

Herkömmliche Fräsmethoden, insbesondere Nutenfräsen, konzentrieren die Schnittkräfte oft nur auf bestimmte Bereiche der Schneidkante. Diese Konzentration führt zu schnellerem Verschleiß und erhöht thermische Belastungen in diesen Zonen. Aktuelle Forschungsergebnisse aus dem Jahr 2023 zu CNC-Parametern zeigen zudem etwas Interessantes: Wenn der radiale Eingriff 40 % überschreitet, steigt die Wärmeentwicklung etwa doppelt so stark an wie normal, während die Werkzeugstandzeit um rund zwei Drittel sinkt. Solche Ineffizienzen verlangsamen die Serienproduktion erheblich, besonders bei gehärteten Stählen. Der ständige Bedarf, frühzeitig ausgefallene Werkzeuge auszutauschen, verursacht laut Erkenntnissen des Ponemon Institute aus dem vergangenen Jahr jährliche Kosten von rund 740.000 US-Dollar aufgrund unerwarteter Ausfallzeiten. Dies stellt eine erhebliche finanzielle Belastung für jeden Produktionsleiter dar, der versucht, den reibungslosen Betrieb aufrechtzuerhalten.

Schnitttiefe, Vorschub pro Zahn und Spindellast im Gleichgewicht für maximale MRR

Das Hochleistungsmahlen (HEM) erschließt das volle Drehmoment- und Leistungspotenzial moderner Fräsmaschinen, indem es drei voneinander abhängige Parameter strategisch ausbalanciert:

• Radiale Eingriffstiefe (RDOC) : Wird auf 5–15 % des Fräserdurchmessers begrenzt, um den Verschleiß auf mehrere Zähne zu verteilen und die radiale Kraft zu reduzieren
• Axiale Eingriffstiefe (ADOC) : Auf 1,5–3× Werkzeugdurchmesser verlängert, um den Materialkontakt zu maximieren, ohne die Spindel zu überlasten
• Vorschub pro Zahn : Dynamisch an die Spindeldrehzahl angepasst, um eine gleichmäßige, optimale Spanstärke beizubehalten

Dieser Ansatz reduziert radiale Kräfte um bis zu 60 % im Vergleich zu konventionellen Bahnführungen – was Vibrationen verringert, die Oberflächenqualität verbessert und die Standzeit der Werkzeuge um 70 % verlängert. Bei hochfesten Legierungen wie Inconel 718 und Ti6Al4V erreicht HEM bis zu dreimal höhere Abtragsraten (MRR), während gleichzeitig die Maßhaltigkeit und Oberflächengüte erhalten bleiben.

Intelligente Werkzeugbahnstrategien zur Steigerung der Fräsmaschinenleistung

Vermeidung von Spanverdünnung durch Kontrolle des radialen und axialen Eingriffs

Inkonsistente Spanungsdicke – häufig verursacht durch unkontrollierten radialen Eingriff oder geringe axiale Schnitttiefe – führt zu dünnen Spänen, die nicht in der Lage sind, Wärme abzuführen, wodurch Reibung, Werkzeugverschleiß und die Gefahr der Werkstückverhärtung zunehmen. Die Kontrolle der Eingriffsgeometrie stellt eine effiziente Spanbildung und -abfuhr wieder her:

• Die Begrenzung des radialen Eingriffs auf ≤30 % des Fräserdurchmessers verhindert Verformung und Rattern bei Aluminium
• Die Erhöhung der axialen Schnitttiefe bei gleichzeitiger Verringerung des seitlichen Eingriffs stabilisiert die Schnittkräfte und verbessert die Wärmeableitung bei Titan und gehärteten Stählen

Das Ergebnis ist eine vorhersehbare und reproduzierbare Leistung – entscheidend, um enge Toleranzen einzuhalten und die Produktivität bei langen Fertigungssequenzen aufrechtzuerhalten.

Auswahl von Trochoidal-, HREM- oder High-Feed-Werkzeugwegen basierend auf Material und Steifigkeit

Die Auswahl des Werkzeugwegs muss sowohl auf das Materialverhalten als auch auf die Maschinenkapazität abgestimmt sein – nicht nur auf theoretische Effizienz:

Trochoidale Bahnen funktionieren durch gezielte, kreisförmige Bögen, die dafür sorgen, dass jeweils nur ein begrenzter Materialanteil bearbeitet wird. Dieser Ansatz eignet sich besonders gut zum Schneiden zäher, klebriger Edelstähle, ohne starke Vibrationen zu erzeugen. Bei HEM (High-Efficiency Machining) bedeutet dieses Verfahren im Grunde, höhere Vorschubgeschwindigkeiten anzustreben und tiefere Schnitte entlang der Achse vorzunehmen, allerdings nur dann, wenn die Maschine ausreichend starr ist, um die Spandicke ordnungsgemäß zu bewältigen. Für Werkstätten mit älterer Ausrüstung oder Maschinen mit geringerer Leistung ist das Hochvorschub-Fräsen eine sinnvolle Alternative. Dabei werden flachere Schnitte vorgenommen, aber das Werkzeug bewegt sich unter einem deutlich steileren Winkel mit höherer Geschwindigkeit, wodurch statt langer Spann gefällige, kurze, dicke Späne entstehen. Dadurch wird die Spindel vor Verschleiß geschont, während gleichzeitig auf kostengünstigen Maschinen eine akzeptable Produktivität bei harten Materialien erreicht wird.

Stabilisierung der Fräsmaschine: Werkzeuge, Spannmittel und Vibrationsmanagement

Carbide vs. CBN-Werkzeuge bei gehärtetem Stahl: Abwägungen zwischen Standzeit und Laufzeit der Fräsmaschine

Bei der Bearbeitung von gehärteten Stählen über 45 HRC sind Hartmetallwerkzeuge und kubisches Bornitrid (CBN) eigentlich ganz unterschiedliche Optionen, die nicht einfach gegeneinander ausgetauscht werden können. Hartmetall hält besser gegen plötzliche Stöße während des Schneidprozesses stand und stört sich weniger an kleinen Einrichteproblemen, was es ziemlich tolerant gegenüber den alltäglichen Werkstattbedingungen macht, unter denen nicht immer alles perfekt ist. CBN hingegen eignet sich am besten für gleichmäßige, schnelle Feinbearbeitungsvorgänge. Die Werkzeugstandzeit kann sich dort etwa verzehnfachen, da das Material bei hohen Temperaturen äußerst stabil und hart bleibt. Doch hier liegt der Haken: Dieses Material erfordert eine sehr strenge Kontrolle von Vibrationen und benötigt exakt dosierte Kühlmittelzufuhr genau an der richtigen Stelle. Und ehrlich gesagt, CBN neigt leicht zum Abplatzen, sobald minimale Rundlauffehler oder Ausrichtungsprobleme auftreten. Während CBN daher in starren Maschinen mit hohen Losgrößen maximale Produktivität ermöglicht, bleiben die meisten Werkstätten bei der Bearbeitung unterschiedlicher Teile oder an nicht optimal gewarteten Maschinen beim Hartmetall.

Modulare Werkzeughaltersysteme: Verringerung von Rundlaufungenauigkeit zur Erhöhung der Genauigkeit und Lebensdauer von Fräsmaschinen

Rundlaufungenaugikeit, also im Grunde die Abweichung, mit der das Werkzeug exzentrisch zur Maschinenachse rotiert, verursacht zahlreiche Probleme in der Fertigung. Ungleichmäßige Schnittkräfte, störendes Brummen während des Bearbeitungsprozesses und vorzeitiger Werkzeugbruch sind direkte Folgen einer schlechten Rundlaufkontrolle. Die gute Nachricht ist, dass moderne Präzisions-Werkzeughaltersysteme hier einen spürbaren Unterschied machen können. Diese fortschrittlichen Systeme nutzen beispielsweise hydraulische Expansion, thermisches Schrumpfeinsetzen oder spezielle Doppelkontaktaufnahmen, die in letzter Zeit immer häufiger eingesetzt werden. Sie reduzieren die gesamte angezeigte Rundlaufungenaugikeit (TIR) um etwa 70 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen ER- oder BT-Haltern. Betriebe, die umgestellt haben, berichten von besseren Oberflächenqualitäten, längerer Werkzeuglebensdauer und insgesamt reibungsloseren Abläufen in ihren Bearbeitungszentren.

• Bis zu 40 % längere Werkzeuglebensdauer durch Vermeidung asymmetrischen Flankenverschleißes
• Wiederholgenauigkeit innerhalb von ±0,0005 Zoll, wodurch die Nachbearbeitungsinspektion und Nacharbeit reduziert wird
• Geringere harmonische Anregung erhält die Integrität der Spindellager und verlängert die Kalibrierintervalle

In Kombination mit ausgewuchteten Werkzeugbaugruppen und optimierten Spindeldrehzahlen senken diese Systeme die jährlichen Wartungskosten um etwa 18 % und ermöglichen feinere Oberflächenqualitäten – besonders entscheidend bei Titan- und gehärteten Legierungskomponenten mit engen geometrischen Toleranzen.

Thermisches und Fluidmanagement für dauerhafte Fräsmaschineneffizienz

Effektive Temperaturkontrolle ist grundlegend für Präzision, Werkzeuglebensdauer und Prozesszuverlässigkeit. Titanlegierungen erzeugen beispielsweise lokal begrenzte Schneidtemperaturen von über 1000 °C, die ohne gezielte Wärmeabfuhr zu schneller Werkzeugalterung, mikrostrukturellen Veränderungen im Werkstück und Verlust der Maßhaltigkeit führen.

MQL versus Hochdruck-Kühlmittel durch die Spindel: Wahl der Kühlstrategie entsprechend den Anforderungen beim Fräsen von Titan und Legierungen

MQL reduziert den Fluidverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Überspülsystemen um etwa 90 % und trägt somit zur Verringerung der Umweltbelastung bei. Dadurch eignet es sich gut für den Einsatz mit Materialien wie Aluminium oder kohlenstoffarmen Stählen, bei denen die entstehende Wärme nicht allzu extrem ist. Doch hierbei gibt es einen Haken: Die Wärmeabfuhrkapazität von MQL reicht bei anspruchsvolleren Materialien wie Titan – mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 6,7 W/m·K – oder nickelbasierten Hochtemperaturlegierungen einfach nicht aus. Diese Materialien neigen dazu, sich während der Bearbeitung thermisch zu verformen oder härter zu werden, wenn keine ausreichende Kühlung erfolgt. Aus diesem Grund setzen viele Unternehmen auf Kühlmittel mit hohem Druck durch die Spindel, das zwischen 70 und 300 bar betrieben wird. Diese Systeme sprühen das Kühlmittel mit hoher Geschwindigkeit direkt in die Schnittzone und senken die Temperatur an der Grenzfläche um etwa 200 bis 300 Grad Celsius. Laut einer Studie aus der SME Technical Paper Series aus dem Jahr 2022 kann dieser Ansatz die Werkzeugstandzeit beim Bearbeiten von Ti6Al4V oder Inconel 718 um das Zweifache bis Dreifache verlängern. Bei präzisen Bauteilen, die viel Wärme erzeugen, ist die Verwendung von Kühlmittel mit hohem Druck kein optionales Extra mehr. Es muss von Beginn an in die Systemkonstruktion integriert werden.

Vergleich der Kühlleistung

Die Auswahl ungeeigneter Kühlstrategien – wie beispielsweise die Verwendung von MQL beim Randschlichten von Titan – führt zu thermischer Instabilität, beeinträchtigt die Oberflächenintegrität, beschleunigt den Werkzeugverschleiß und verursacht eine dokumentierte Produktivitätsminderung von 23 % bei Präzisionsfräsoperationen.