Bei der Zerspanung von schweren Bauteilen ist ein ausgeklügeltes Bearbeitungskonzept unerlässlich. Dazu gehören auch innovative und effiziente Werkzeuge, welche die grossen Brocken zuverlässig fertigen. Wir werfen einen Blick auf das Werkzeugportfolio von Iscar und deren Strategien.

Der Umgang mit massiven Teilen ist eine anspruchsvolle Aufgabe und erfordert häufig Sonderlösungen. Bei der Bearbeitung grosser Werkstücke wird viel Material abgetragen. Das kann wegen der hohen Beanspruchung zu erheblichen Verformungen an Bauteil oder Werkzeug führen.

Ein weiterer Faktor, der Probleme mit der Massgenauigkeit mit sich bringt, ist die während der Zerspanung entstehende Wärmeausdehnung: Die grossen Abmessungen machen den Zerspanungsprozess im Vergleich zu kleiner dimensionierten Werkstücken deutlich anfälliger. Wird viel Material abgetragen, muss darüber hinaus eine entsprechende Spanevakuierung gegeben sein. Diese verhindert ein Nachschneiden der Späne, die Schäden an Werkzeug und Werkstück verursachen können.

Anforderungen an Präzisionswerkzeuge sind klar definiert

Das Zusammenspiel von effektiver Prozessplanung, geeigneten Werkzeugmaschinen, einer optimalen Aufspannung und minimalem Bauteile-Wechsel kann solche Herausforderungen meistern. Zerspanungswerkzeuge spielen dabei eine besondere Rolle. Zulieferer aus Branchen wie Energieerzeugung, Luft- und Raumfahrt, Eisenbahn-, Werkzeug- und Formenbau sowie der Schwerindustrie benötigen grosse, meist auswechselbare Werkzeuge für die Schwerzerspanung, speziell für das Schruppen und Vorschruppen.

Die Anforderungen an Präzisionswerkzeuge sind klar definiert: Sie müssen eine sehr gute Performance bieten, lange Standzeiten ermöglichen und zuverlässig arbeiten. Die beiden letzten Punkte sind besonders wichtig. Ein verschlissenes Werkzeug mitten im Prozess zu ersetzen und ein Werkzeug-Bruch während der Zerspanung sind inakzeptabel. Um den Anforderungen in der Grossteile-Fertigung gerecht zu werden, bieten Hersteller verschiedene Möglichkeiten, die sowohl auf Standard- als auch auf Sonderausführungen beruhen. Durch jahrelanges Know-how und profunde Branchenkenntnis hat Iscar die Nase bei der Entwicklung effizienter Lösungen für die Schwergewichte vorn.

Planfräser sind gefragt

Ein grosses Bauteil ohne Planfräser zu bearbeiten ist problematisch. Für die Schrupp- und Feinbearbeitung freier und begrenzter Oberflächen sowie die Vorbereitung von Bezugsflächen benötigen Anwender verschiedene auswechselbare Planfräswerkzeuge. Standard-Lösungen von Iscar haben Nenndurchmesser bis zu 315 Millimetern. Massgeschneiderte Werkzeuge können auch höhere Abmessungen aufweisen.

Die in Planfräsern montierten Wendeschneidplatten variieren in der Schneidengeometrie, da sie für die Bearbeitung verschiedener Werkstoffgruppen bestimmt sind. Das Fertigen mit hohem Spanvolumen ist in erster Linie ein Thema bei der Fertigung von Grossteilen aus Stahl und Gusseisen, teilweise aus Titan und Aluminium.

Die Helido 890-Linie von Iscar

Standard-Planfräser von Iscar umfassen viele Werkzeuglinien für die Grossteilefertigung. Die Baureihe Helitang T465 beispielsweise bietet Fräser mit einem 65-Grad-Anstellwinkel und tangential geklemmten Wendeschneidplatten. Das robuste Design ermöglicht eine produktive Bearbeitung mit einer Schnitttiefe von bis zu 19 Millimetern.(Abb. 1)

Die Helido 890-Linie verfügt über 88-Grad-Planfräser mit doppelseitigen Wendeschneidplatten. Diese Werkzeuge sind besonders für das Fräsen einer Fläche in der Nähe von Schultern geeignet und bieten einen wirtschaftlichen Vorteil: Die quadratischen Wendeschneidplatten haben acht nutzbare Schneidkanten für eine Schnitttiefe bis zu neun Millimeter.

Wendelschaftfräser auch für das «Edging»

Wendelschaftfräser mit auswechselbaren Schneiden punkten beim produktiven Schruppen. Bei Grossteilen überzeugen sie beim Herstellen von tiefen Schultern und Kavitäten. Wendelschaftfräser werden auch für das sogenannte «Edging» eingesetzt – dem Fräsen von breiten, geraden Kanten, aber auch bei der Bearbeitung von Konturen.

Iscars Linie für Wendelschaftfräser variiert in der Designkonfiguration mit verschiedenen Schaft- und Aufnahmetypen sowie einem radialen oder tangentialen Wendeschneidplatten-Klemmprinzip. Diese Werkzeuge arbeiten unter harten Schnittbedingungen und sind einer erheblichen mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt.

Für das Abtragen von grossen Materialmengen ist eine entsprechende Spanformergeometrie nötig, um eine effektive Spanabfuhr sicherzustellen. Durch den Einsatz der Wendelschaftfräser von Iscar – bestückt mit Wendeschneidplatten mit Spanteilergeometrie für die Erzeugung kurzer Späne – können die Zerspanungsergebnisse deutlich verbessert werden. Schnittkräfte, Vibrationen und thermische Probleme werden dadurch reduziert.

Wendeplatten-Fräswerkzeugen in konischer Ausführung

Obwohl 90-Grad-Werkzeuge die am häufigsten verwendeten Fräser sind, kommt bei der Bearbeitung von Grossteilen auch das Schruppen von geneigten und 3D-Oberflächen vor. Dafür wartet Iscar mit Wendeplatten-Fräswerkzeugen in konischer Ausführung und einem Anstellwinkel zwischen 22,5 und 75 Grad auf. In einigen Fällen, insbesondere im Werkzeug- und Formenbau, ist kombiniertes Schrupp- und Schulterfräsen notwendig. DROPMILL 3-Kugelkopffräser wurden speziell für solche Anwendungen entwickelt.

Die Fertigung von grossformatigen Luft- und Raumfahrtkomponenten aus schwer zerspanbaren Titanlegierungen ist ein extrem metallintensiver Prozess. Das endgültige Gewicht eines Bauteils beträgt nicht selten nur zehn Prozent oder weniger als das des Rohteils. Die XQUAD-Wendelschaftfräser-Linie, eines der neuesten Produkte von Iscar, ist für das hocheffiziente Fräsen von tiefen Kavitäten und breiten Kanten in Titanteilen vorgesehen.

Diese Werkzeuge (Abb. 2) eignen sich für die Bearbeitung mit Hochdruckkühlung, was die Produktivität deutlich erhöht und die Standzeit verbessert. Die Werkzeuge haben sich bereits bewährt: erreichten beispielsweise Anwender mit einem XQUAD-Fräser mit 80 Millimeter Durchmesser ein Zeitspanvolumen von 700 bis 1000 cm³/min.

In der Eisenbahnindustrie werden Kombinationsfräser eingesetzt, die an mehreren Stellen des Bauteils arbeiten können. Diese Werkzeuge verfügen über eine verlängerte Schneide, die aus aufeinander folgend montierten Wendeschneidplatten entsteht.

Produktive Schnellläufer

Die hocheffiziente Zerspanung mit Wendelschaft- und Planfräsern in grossen Durchmessern lässt sich mit der Schwerarbeit eines grossen Baggers vergleichen, der mit einer grossen Schaufel Sand aushebt. Als Alternative ist ein kompakter Grabenbagger mit einer sich schnell bewegenden Grabkette vorstellbar. Jedes Glied der Kette entfernt zwar ein kleines Sandvolumen – dies geht dafür aber schnell vonstatten. In der Metallzerspanung gibt es dafür Hochvorschubfräser, die bei geringen Schnitttiefen zerspanen, jedoch mit einem Vorschub pro Zahn, der weit höher ist als die üblichen Vorschub-Werte.

Hochvorschubfräser werden hauptsächlich zum Schruppen von Planflächen, Kavitäten und 3D-Oberflächen eingesetzt (Abb. 3). Bei der Bearbeitung von Grossteilen aus Stahl und Gusseisen sind diese Werkzeuge am gängigsten, obwohl Hochvorschubfräsen (HFM) von Titan und hoch hitzebeständigen Legierungen heute auch nicht ungewöhnlich ist.

Iscar bietet eine grosse Auswahl an Werkzeugen für das HFM unterschiedlicher Werkstückstoffe und Anwendungen. Iscars Angebot umfasst in diesem Segment Werkzeuglinien im Durchmesserbereich von bis zu 160 Millimetern, die den anspruchsvollen Kundenanforderungen gerecht werden.

Hochvorschub-Planfräsen auf langsamen Maschinen

Das Hochvorschubfräsen setzt Werkzeugmaschinen mit entsprechender Dynamik voraus. Hersteller von Grossteilen verfügen oft über schwere, leistungsstarke, aber langsame Maschinen, die nicht zum Hochvorschub-Planfräsen geeignet sind. Für diese Kunden entwickelte Iscar Fräser für den mittleren Vorschubbereich (MF). Im Vergleich zu HFM weisen MF-Fräser einen höheren Anstellwinkel auf; sie bewegen sich langsamer, bearbeiten jedoch grössere Schnitttiefen und benötigen mehr Maschinenleistung.

Grossteile werden oft aus schwer zerspanbaren Werkstückstoffen wie hartem und hoch verschleissfestem Stahl oder Gusseisen hergestellt. Eine geschweisste Teilestruktur sowie durch Sprühen oder Laserauftragschweissen reparierte Bauteile erschweren die Bearbeitung zusätzlich.

Hochgeschwindigkeitsfräsen (HSM) behebt diese Probleme. Ursprünglich im Werkzeug- und Formenbau eingesetzt, wurde diese Methode als produktives Verfahren zum Fräsen von gehärtetem Stahl entwickelt. Dies führte dazu, dass der Aufwand für das Ausrichten von Bauteilen in der Maschine und die Montage reduziert wurde. Darüber hinaus ist deutlich weniger manuelles Nachbehandeln und Polieren erforderlich. Beim Hochgeschwindigkeitsfräsen punkten Werkzeuge mit kleinem Durchmesser, die mit hoher Geschwindigkeit rotieren und Werkstückstoff mit geringer Zustellung abtragen.

Für die HSM-Bearbeitung eignet sich am besten ein Vollhartmetallwerkzeug. Iscars MULTI-MASTER-Reihe mit auswechselbaren Fräsköpfen aus Hartmetall stellt ebenfalls eine Option dar. Iscars Linie für Vollhartmetallschaftfräser bietet verschiedene mehrschneidige Werkzeuge mit Durchmessern von bis zu 20 Millimetern für Werkstückstoffe bis Härte 70 HRC. Geringere Werkstückaufmasse durch die Herstellung genauerer Bauteile, beispielsweise durch Präzisions-Giessen oder -Formen, eröffnen neue Möglichkeiten für das HSM.

Auswechselbare Fräsköpfe reduzieren die Ausfallzeit

In vielen Fällen werden Grossteile in kleinen Stückzahlen gefertigt, oft auch individuell. In diesem Kontext sind minimierte Ausfallzeiten einer Werkzeugmaschine entscheidend. Intelligente Prozessplanung, um die Rüstzeit zu reduzieren, kann dazu beitragen, dieses Problem zu lösen. Wenn ein verschlissener Fräser ausgetauscht werden muss, sind zusätzliche Mess- und CNC-Programmkorrekturen erforderlich – dies erhöht die Ausfallzeit.

Die rotierenden Werkzeuge von Iscar mit auswechselbaren Köpfen – Multi-Master-Fräser und Sumocham-Bohrer (Abb. 4) – ermöglichen deutlich reduzierte Ausfallzeiten. Die stirnseitige Schnittstelle zwischen Wechselkopf und Werkzeugkörper sorgt dafür, dass die Werkzeugauskragung innerhalb strenger Toleranzgrenzen liegt, was zu einer hohen Wiederholgenauigkeit der kompletten Werkzeugbaugruppe führt. Für das Wechseln eines verschlissenen Fräs- oder Bohrkopfes benötigt der Anwender keine zusätzlichen Vorrichtungen, das Werkzeug muss nicht aus der Maschine genommen werden.

Kehrtwende mit Drehfräsen

Drehen eignet sich gut für die Bearbeitung schwerer Teile. Beim Drehen hängt die Schnittgeschwindigkeit jedoch von der Rotationsgeschwindigkeit ab. Wenn der Hauptantrieb einer Werkzeugmaschine die Rotation grosser Massen mit der erforderlichen Geschwindigkeit aufgrund von Einschränkungen der Maschineneigenschaften nicht zulässt, ist die Schnittgeschwindigkeit weit entfernt vom optimalen Bereich: Die Zerspanungsleistung bleibt gering.

Eine effiziente Lösung stellt in diesem Zusammenhang das Drehfräsen dar. Bei der Bearbeitung grosser exzentrischer Teile wie Kurbelwellen verursachen ihre zentrischen Massen unausgewogene Kräfte, die die Leistung beeinträchtigen. Das Drehfräsen zeichnet sich durch eine geringe Rotationsgeschwindigkeit des Werkstücks aus, was diesen negativen Effekt verhindert (Abb. 5).

Für diese Bearbeitungsart eignet sich eine Vielzahl von Werkzeugen mit Wendeschneidplatten von Iscar. Der Erfolg hängt von der Fräserpositionierung in Bezug auf das zu bearbeitende Bauteil, der Auswahl der optimalen Wendeschneidplatten-Geometrie und der Berechnung der Schnittdaten ab. Die Spezialisten von Iscar nahmen die Drehfräs-Kinematik genau unter die Lupe und entwickelten eine geeignete Methode, diese Parameter zu bestimmen.