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Doppelte Performance, weniger Verschleiss


Das trochoidale Fräsen ermöglicht vor allem bei der Taschen- und Konturbearbeitung deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten, erfordert aber hierauf abgestimmte Werkzeuge.

Wenn es um Konstruktion und Fertigung von Sondermaschinen aller Art geht, zählt die Dreiling Maschinenbau GmbH im deutschen Geisleden zu den ersten Adressen. Auch als Hersteller von grossen Fräsköpfen für Werkzeugmaschinen, Spannvorrichtungen und Montagelinien hat sich das Unternehmen in den letzten Jahren einen hervorragenden Ruf erarbeitet. Seit 2014 fungiert man sogar als zertifizierter Entwicklungs- und Fertigungsbetrieb für Luftfahrtkomponenten.

Doch was macht die Thüringer so erfolgreich? «Unsere Stärken liegen ganz klar in unserem Know-how und den Fähigkeiten unserer Mitarbeiter, zusammen mit den Kunden auch mal Neuland zu betreten», erklärt Thomas Gödeke, der als CAM-Programmierer bei den Projekten frühzeitig involviert ist. Ein weiterer Pluspunkt sei die Flexibilität. «So sind wir in der Lage, für die unterschiedlichsten Branchen vom Engineering über die Fertigung und Montage bis hin zur Inbetriebnahme die gesamte Wertschöpfungskette abzudecken, einschliesslich Elektroplanung und SPS-Programmierung.» Das wissen immer mehr Kunden zu schätzen. Die Referenzliste zählt so klangvolle Namen wie Audi, Alstom, Bosch, Continental, Voith Turbo, Heyligenstaedt, FTE oder DMG Mori aus dem Automotive-, Industrie- und Werkzeugmaschinen-Segment ebenso auf wie Airbushelicopters oder Diamond Aircraft – nicht zu vergessen edm aerotec – aus der anspruchsvollen Luftfahrtbranche.

Keine Frage: Dreiling zählt mit seinen ebenso top ausgebildeten wie erfahrenen Mitarbeitern zu den gefragten Marktpartnern. Auch deshalb, weil nicht nur modernste CAD- und CAM-Software (Solidworks, SolidCAM) zum Einsatz kommen, viele Bauteile, Komponenten und Baugruppen im Vorfeld per FEM durchsimuliert werden, der Maschinenpark ständig erneuert oder technisch aufgerüstet wird, sondern auch die Prozesse ständig hinterfragt und optimiert werden. Dank seines breit aufgestellten Maschinenparks ist man so in der Lage, fast alle benötigten Bauteile selbst herzustellen.

Das war die Lösung
Vor diesem Hintergrund entstand bei dem fränkischen Werkzeughersteller die neue Schaftfräser-Reihe «Franken Trochoidal», die in zwei Linien (Jet-Cut, TiNox-Cut) in diesen Tagen auf den Markt gebracht wird. Viel Wert haben die Entwickler dabei auf vibrationsdämpfende Eigenschaften gelegt. Hierzu tragen ungleiche Drallwinkel und die ungleiche Teilung ebenso bei wie eine neue Mikrogeometrie. Ein ebenso wichtiges Merkmal der neuen HM-Schaftfräser sind die neuen Spanteiler, die das beim Trochoidalfräsen in Taschen nicht unerhebliche Risiko eines Spänestaus reduzieren. Einige der ersten Exemplare dieser Neuentwicklung stellte Jürgen Schmidt dann Dreiling zeitnah zur Verfügung. Damit zählten die Thüringer Hightech-Spezialisten zu den Pilot an wendern der nagelneuen Trochoidal-Fräser-Reihe. «Wir haben die neuen Fräser zunächst im Rahmen eines Projekts zur Herstellung einer Rotorblatthalterung erprobt und waren sofort begeistert», erinnert sich Thomas Gödeke. «Beim Trochoidalfräsen entstanden damit sehr schöne kurze Späne, die sich durch Druckluft leicht wegblasen liessen und wodurch ein Durchziehen der Späne verhindert wurde.» Zudem hätten sich Laufruhe und Performance verbessert und die Bearbeitungszeit verkürzt. Das war im Spätherbst 2015.

Der Absteckbolzen als Frässimulation in SolidCAM. Das NC-Programm wird vom 3D-Modell direkt aus Solidworks heraus abgeleitet.

Lange Späne stören Schruppprozess
Seit rund vier Jahren setzt man bei verschiedenen Bauteilen HM-Schaftfräser (Hartmetall) der TiNox-Reihe in 3xd und 4xd ein. «Für die meisten bei uns anfallenden Fertigungsaufgaben sind diese Standardfräser gut geeignet», erklärt Gödeke. «Bei der trochoidalen Schruppbearbeitung von Konturen und Taschen mit iMachining kam es allerdings zu Problemen mit den Spänen, die sich wegen ihrer Länge schwer entfernen liessen.» Bei iMachining handelt es sich um ein Modul zur Trochoidalbearbeitung der NC-Programmiersoftware SolidCAM, die in Thomas Gödekes Abteilung an drei Arbeitsplätzen installiert ist. Solche speziellen Trochoidalbearbeitungssoftwaretools, über die inzwischen viele CAM-Produkte verfügen, stellen Frässtrategien zur Verfügung, mit denen sich die Bearbeitungszeiten im Idealfall um die Hälfte und mehr reduzieren lassen. So auch das 2D- und 3D-Trochoidalfräsen, das nicht nur von vielen CAM-Systemen, sondern auch von neueren CNC-Steuerungen direkt unterstützt wird. Diese Frässtrategie hat sich mit ihrer von Kreisbewegungen überlagerten linearen Bewegungsrichtung vor allem bei komplexen Konturen und Taschen als äusserst effizient erwiesen, einschliesslich Schlichten.


Werkzeuglieferant kannte das Problem


Da man bei Dreiling trotz diverser Versuche beim Trochoidalfräsen weiterhin nur mässige Ergebnisse erzielte, sprach Thomas Gödeke den betreuenden Aussendienst von Emuge-Franken auf die Sache an. So kam dann schnell der Kontakt zu Jürgen Schmidt zustande, Anwendungstechniker für den Bereich. Und der hatte sowohl eine Erklärung für das Problem als auch eine Lösung parat. «Beim trochoidalen Fräsen wird der Span mit einer geringen seitlichen Zustellung und grösstmöglicher axialer Zustellung zwischen 2xd1 und 4xd1 wie beim Schlichten sozusagen aus dem Werkstück geschält», erklärt Schmidt. Dies reduziert die bei der Bearbeitung erzeugte Wärme und erhöht die Standzeit der Schneide. Wichtig beim Trochoidalfräsen ist zudem, dass möglichst die gesamte Schneidenlänge genutzt wird. Auf diese Weise seien auch auf hochdynamischen Maschinen, die meist nicht über eine hohe Spindelleistung verfügen, sehr hohe Zeitspanvolumen möglich, so Schmidt. Allerdings würden konventionelle Hartmetallfräser aufgrund ihrer Geometrien hier schnell an ihre Grenzen geraten, was die Probleme bei Dreiling erklären würde.

Bearbeitungszeit halbiert
Aktuell werden die neuen Fräser bei verschiedenen anderen Bauteilen eingesetzt, hauptsächlich bei legiertem Stahl 1.7131 (16MnCr5). Thomas Gödeke nennt als Beispiel einen Absteckbolzen für einen Greifer und bleibt vor der 5-achsigen DMG Mori 80 evo stehen, die bei Dreiling aufgrund ihrer Flexibilität und Dynamik quasi im Dauereinsatz ist. Aufgespannt ist ein Halbzeug aus 16MnCr5 in der Grösse von 300x80x40 mm. In zwei Aufspannungen soll der Absteckbolzen mit der neuen Fräser-Reihe trochoidal geschruppt und auf das Fertigmass 293x70x33 mm geschlichtet werden. Die Angaben, die Thomas Gödeke über die Schnittwerte macht, unterstreichen die Leistungsfähigkeit des hier verwendeten 2539TZ.012 mit Ø 12 mm, 36 mm Schneidenlänge und TiNox-Geometrie. «Wir fahren beim trochoidalen Fräsen bei diesem Bauteil mit Schnittgeschwindigkeiten von rund 300 m/min, einer axialen Zustellung von 35 mm und einer radialen Zustellung von 0,7 mm, wobei sogar ein ae von bis zu 0,9 mm möglich wäre.»

Pilotanwendung: Die Franken Trochoidal-Fräser wurden erstmals bei der Rotorblatthalterung für den neuen Ultraleichthubschauber von edm aerotec eingesetzt.

Der Clou beim trochoidalen Fräsen ist, dass sich infolge der übergelagerten Kreisbewegungen der Vorschub laufend ändert. So bleibt die Spandicke stets gleich, wovon auch der gleichbleibend konstante Ton bei der Bearbeitung zeugt. Rund 18 Minuten braucht der Fräser für die Bearbeitung, für die zweite Spannung, wo im wesentlichen nur noch abgezeilt wird und die Fasen angebracht werden, noch mal zwei. «Die Gesamtbearbeitung für den Absteckbolzen beträgt also rund 20 Minuten. Früher haben wir doppelt so lange benötigt», erklärt Thomas Gödeke nicht ohne Stolz und verweist auf einen weiteren Aspekt: Wie den meisten Einzel- und Variantenfertigern steht auch bei Dreiling die Prozesssicherheit an vorderer Stelle.

Das Gesamtsystem ist wichtig
Entscheidend sei hierfür aber nicht das Werkzeug alleine, betont Gödeke, sondern das Gesamtsystem. Also das richtige Zusammenspiel von Parametern wie Bearbeitungsstrategie, Maschinenkinematik und -dynamik, Werkzeug sowie Werkzeugaufnahme. Bei Letzterer vertraut man bei Dreiling ebenfalls auf Emuge-Franken, nämlich auf die patentierte FPC-Aufnahme, bei der die Werkzeuge mechanisch über Spannhülsen gehalten werden und die sich sowohl zum Fräsen als auch zum Bohren, Reiben oder zur Gewindeherstellung eignet. Kennzahlen dieser präzisen Aufnahme sind die sehr hohe Haltekraft, also das übertragbare Drehmoment – laut Emuge-Franken bei einem Werkzeugschaftdurchmesser von 20 mm rund 400 Nm –, der exzellente Rundlauf mit einer Ungenauigkeit von maximal drei Mikrometern sowie die schmale Störkontur. Extrem wichtig sei in diesem Zusammenhang die Auszugssicherung des Fräswerkzeuges, meint Gödeke. «Bei hohen Schnittwerten oder schwer zerspanbaren Werkstoffen führt selbst die kleinste axiale Bewegung des Fräsers fast immer zu Werkzeugbruch.» Dies verhindert bei Dreiling die Auszugssicherung der Franken-FPC-Aufnahme, die für eine form- und kraftschlüssige Verbindung zwischen Werkzeug und Spannhülse und damit für eine hundertprozentige Auszugssicherheit sorgt.

Neben dem Zeitgewinn und der gestiegenen Prozesssicherheit freut man sich über die höhere Lebensdauer der neuen Trochoidal-Fräser. Wesentlich zu dem Standzeitgewinn tragen neben den ohnehin schneidenschonenden Trochoidalzyklen, der geometriebedingten Laufruhe und Spanbildung die verwendeten neuen Substrate und die ebenfalls neuen Multilayer-Beschichtungen bei. Wenn alle Parameter stimmen, so Thomas Gödeke abschliessend, «erreichen wir beim Trochoidalfräsen von normallegiertem Stahl jetzt Standzeiten pro Werkzeug von bis zu drei Stunden.»

Wolfgang Bahle, München



Community Führer Maschinen-, Metall, Elektro- und Elektronikindustrie der Schweiz 31 / 2017

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