Die Wettbewerbsfähigkeit des Marktes und der Druck, Teile effizienter und schneller zu produzieren und zu bearbeiten, haben den Fokus von der konventionellen Bearbeitung auf die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) verlagert. Bei der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wird eine höhere Materialabtragungsrate erreicht, indem eine höhere Spindeldrehzahl, ein höherer Vorschub und eine höhere Schnittgeschwindigkeit verwendet werden. HSM kann dazu beitragen, die Produktivität zu verbessern, die Zykluszeit zu verkürzen und die Lebensdauer des Werkzeugs effizient zu verlängern.
Aluminium hat eine der besten Bearbeitbarkeitseigenschaften und seine Anwendungen in verschiedenen Industrien, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie, haben in den letzten Jahren enorm zugenommen. Daher hat der Wunsch, den Aluminium-Fräsprozess effizienter und produktiver zu gestalten, dazu geführt, dass verschiedene Industrien den Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungsprozess angepasst haben. Es gibt jedoch einige Herausforderungen beim Aluminiumfräsen, die bewältigt werden müssen, um den Prozess sicher und effizient zu gestalten. Einige dieser Herausforderungen sind:
- Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erzeugt an der Oberfläche-Werkzeug-Grenzfläche eine hohe Hitze. Diese Hitze kann das Aluminium kaltverfestigen und den weiteren Bearbeitungs- und Fräsprozess erschweren. Um dies zu überwinden, muss eine Kühlstrategie angewendet werden.
- Hochgeschwindigkeitsbearbeitung bedeutet höhere Schnittgeschwindigkeiten, was zu verstärkten Vibrationen und Rattern führt. Diese Vibrationen beeinträchtigen die Standzeit des Werkzeugs und können auch das Aluminiumteil beschädigen. Daher müssen dem Auswuchten und dem Design des verwendeten Werkzeugs besondere Vorsichtsmaßnahmen gewidmet werden, während die Fräsvorrichtung auf einer Hochgeschwindigkeitsmaschine ausgeführt wird.
- Die höheren Schnittgeschwindigkeiten beim Fräsen bedeuten größere Schnittkräfte auf Werkzeug und Werkstück. Diese größeren Kräfte können die Werkzeughandhabung komplexer machen. Bei unsachgemäßer Ausführung kann sich das Werkzeug vom Handler lösen und sowohl die Maschine als auch den Bediener beschädigen.
- Die Bedienung der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung erfordert zusätzliche Fähigkeiten als herkömmliche Maschinen. Ein ungeschulter Bediener und Techniker kann sich als schädlich erweisen.
Sobald diese Herausforderungen überwunden sind und die Sicherheit des Bedieners gewährleistet ist, können die Vorteile der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung genutzt werden. Das wichtigste Merkmal eines effizienten Bearbeitungsprozesses ist die Vorschubgeschwindigkeit. Höhere Vorschübe sorgen für eine höhere Produktivität des Bearbeitungsprozesses. Ein Aspekt, der die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung vom konventionellen Fräsen unterscheidet, ist die höhere Vorschubgeschwindigkeit, die mit HSM erreicht werden kann. Darüber hinaus macht die bessere Bearbeitbarkeit von Aluminium das Fräsen im Vergleich zu anderen Metallen oder Verbundwerkstoffen effizienter und produktiver. Diese günstige Eigenschaft von Aluminium macht es für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie vorteilhaft. Die höhere Materialabtragsrate macht den Fräsprozess schneller und effizienter. Die Produktion von Automobil- und Luft- und Raumfahrtteilen, die einen größeren Materialabtrag erfordern, ist mit Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschinen produktiver.
Eine wichtige Überlegung beim Einsatz einer Hochgeschwindigkeitsfräsmaschine sind die erhöhten Temperaturen am Schnittpunkt. Studien weisen auf einen Temperaturanstieg hin, wenn die Beschickungsraten erhöht werden. Dies kann eine Änderung der mechanischen Eigenschaften des Materials durch Kaltverfestigung bewirken. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Festigkeit und einer Abnahme der maschinellen Bearbeitbarkeit. Um diese Herausforderung zu bewältigen, muss ein Kühlmittel verwendet werden. Bei Aluminium ist eine vorteilhafte Eigenschaft eine eventuelle Temperaturabnahme, wenn die Geschwindigkeit über einen bestimmten Punkt hinaus ansteigt. Mit zunehmender Vorschubgeschwindigkeit steigt zunächst die Temperatur am Schnitt. Nachdem die Temperatur einen Maximalwert erreicht hat, führt jede weitere Erhöhung der Vorschubgeschwindigkeit zu einem Absinken der Temperatur. Diese abgesenkte Temperatur ist für unseren Fräsprozess von Aluminium günstig, da der Kühlmittelbedarf gering ist und die mechanischen Eigenschaften der Materialien nicht beeinträchtigt werden.
Ein weiterer Vorteil von Aluminiumfräsen Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist die Herstellung dünner Späne. Da die Schnittgeschwindigkeiten bei reduzierten Durchmessern der Schneidwerkzeuge höher sind, fallen beim Fräsen dünne Späne an. Ein weiterer Faktor, der zu diesen dünnen Spänen beiträgt, ist die Bearbeitbarkeit von Aluminium. Dieses weiche Metall ist im Gegensatz zu anderen Legierungen und Metallen wie Titan-, Chrom- und Wolframlegierungen leichter zu bearbeiten und erzeugt daher bei höheren Geschwindigkeiten dünnere Späne. Diese dünnen Späne sind für den Fräsprozess günstig, da sie die Wärmeableitung unterstützen. Die Späne übertragen die Wärme vom Schnittpunkt und verringern daher die Wahrscheinlichkeit einer Kaltverfestigung. Dieses ansonsten kaltverfestigte Material kann das Werkzeug beschädigen und sogar brechen oder das Werkstück selbst beschädigen.
Der Einsatz von reduzierten Durchmessern für Schneidwerkzeuge beim Aluminiumfräsen ist auch für Hochgeschwindigkeitsfräsmaschinen möglich. Beim konventionellen Fräsen werden Schneidwerkzeuge mit größerem Durchmesser bei niedrigeren Drehzahlen der Spindel verwendet. Für HSM werden jedoch Schneidwerkzeuge mit reduziertem Durchmesser verwendet, was zu einer geringeren Schnitttiefe des Aluminiumwerkstücks führt. Dies ist günstig, da reduzierte Durchmesser die Fliehkräfte begrenzen können. Diese Fliehkräfte sind für die Unwucht von Werkzeugen verantwortlich, was die Handhabung von Werkzeugen komplex machen kann. Die Erhöhung der Größe der Zentrifugalkräfte über einen kritischen Wert hinaus kann dazu führen, dass sich das Werkzeug entweder von der Maschine löst und dem Bediener oder dem Werkstück Schaden zufügt oder sogar selbst bricht. Wie bereits erläutert, ist dieser reduzierte Durchmesser des Schneidwerkzeugs auch für die Erzeugung dünner Späne verantwortlich.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die hohe Materialabtragsgeschwindigkeit von HSM nicht nur die Effizienz und Produktivität des Aluminiumfräsprozesses erhöht, sondern auch die Langlebigkeit der Fräsmaschine und -ausrüstung erheblich erhöht. Die schnelleren Schnittgeschwindigkeiten beim Aluminiumfräsen verringern die Wärmeübertragung sowohl auf das Werkstück als auch auf das Werkzeug erheblich. Diese verringerte Wärmeausbreitung verringert die thermischen Spannungen, die sonst im Werkzeug oder Werkstück auftreten würden. Außerdem wird der Prozess der Kaltverfestigung gedämpft, was die maschinelle Bearbeitbarkeit erleichtert und den Verschleiß des Werkzeugs verringert, wodurch seine Lebensdauer verlängert wird.