High speed cutting
Inhaltsverzeichnis
Einleitung
High Speed Cutting (HSC), zu Deutsch Hochgeschwindigkeitszerspanung (HGZ) ist ein technisch anspruchsvolles Zerspanungsverfahren in der Metallverarbeitung. Das HSC-Verfahren zeichnet sich aus durch deutlich höhere Schnittgeschwindigkeit gegenüber herkömmlichen Zerspanungsverfahren und damit verbundenen Drehzahl sowie Vorschub. Der Einsatz von HSC in der Metallindustrie gewinnt zunehmend an Bedeutung.
Geschichte
Seit 1931 experimentierte Carl Salomon mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und stellte eine Theorie auf: Nach dem parabolischen Anstieg der Schnitttemperatur durch steigende Schnittgeschwindigkeit, fällt die Temperatur beim Erreichen des Scheitelpunkts trotz weiterer Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit. Demnach wäre es möglich, mit gewöhnlichen Werkzeugen aus HSS (Schnellarbeitsstahl) mit mehr als 45.000 m/min zu spanen, ohne dabei die Werkzeugschneide zu zerstören. Leider konnte Salomon diese Theorie experimentell nicht nachweisen. Erst nach etwa 20 Jahren wurde seine Theorie in der damaligen Sowjetunion und bei Lockheed in den USA bestätigt. Bei Lockheed wurde Stahl mit einer Schnittgeschwindigkeit zwischen 40 und 50 tausend m/min mit HSS- Werkzeugen bearbeitet. Die Untersuchungen der Experimente mit ultrahohen Schnittgeschwindigkeiten lieferten verblüffende Ergebnisse: Die Werkzeuge blieben trotz hoher Belastungen nahezu unbeschadet, der Werkzeugschneidenverschleiß war sehr gering, die erreichte Oberflächenqualität war ausgezeichnet und das Zeitspanvolumen übertraf das konventionelle Verfahren um den Faktor 240. Bei der heutigen Hochgeschwindigkeitszerspanung im industriellen Umfeld sind solche Geschwindigkeiten bei weitem nicht möglich, allerdings bilden die Ergebnisse eine gute Grundlage des Spanens mit hohen Geschwindigkeiten. Somit sind die Schnittgeschwindigkeiten bei Stahl bis zu 2000 m/min und bei Aluminium bis zu 5000 m/min realisierbar.
Anwendungsgebiete
Mit dem Fertigen von Leichtbauteilen in der Luftfahrtindustrie begann die erste Anwendung von HSC-Zerspanung. Denn um die typischen Bauteile für die Luftfahrt herstellen zu können ist ein extremer Zerspanaufwand erforderlich. Die Zerspankosten mancher Bauteile betragen bis zu 90 Prozent und höher von den gesamten Produktionskosten. Außerdem bietet die HSC-Bearbeitung mit hoher Zerspanleistung und guter Oberflächenqualität ein breites Spektrum an Anwendungsmöglichkeiten im Werkzeug- und Formenbau. Daneben ergeben sich für die HSC-Bearbeitung bislang nicht geahnte Einsatzmöglichkeiten. Von der Herstellung komplexer medizinischer Produkte wie Zahn- und Knochenimlplantate bis zur Bearbeitung von gehärteten Werkstücken.
Eigenschaften
Die HSC-Bearbeitung zeichnet sich aus durch deutlich höheres Zerspanungsvolumen, höhere Vorschubgeschwindigkeiten und sehr geringe Schnittkräfte im Vergleich zu konventionellen CNC-Maschinen. Dies ermöglicht die schwingungsfreie Bearbeitung der dünnwandigen Werkstücke. Durch höheres Zerspanungsvolumen und verbesserte Oberflächenqualität können je nach Werkstück die Fertigungsschritte wie Schruppen, Schlichten oder Schleifen eingespart werden. Da die Schnittgeschwindigkeit von HSC größer ist als die Wärmeleitgeschwindigkeit, bleibt die Wärme im Span. Dadurch wird ein Verzug beim Zerspanungsprozess durch Erwärmung verhindert. Durch extrem hohe Drehzahlen entwickeln bereits kleinste Bruch- oder Spanstücke enorme Fluggeschwindigkeiten. Sie können sogar unter Umständen die Geschwindigkeiten von Projektilen aus Schusswaffen übersteigen, deshalb ist die Abschirmung für den Arbeitsraum der Werkzeugmaschine notwendig. Die Werkzeuge haben in der Regel einen höheren Verschleiß und somit eine geringere Standzeit, was aber durch gesteigertes Zeitspanvolumen relativiert wird. Aufgrund der hohen Spindeldrehzahlen werden an die Werkzeuge und Werkzeugaufnahmen hohe Anforderungen gestellt, sie müssen gut ausgewuchtet sein. Da sonst starke Schwingungen entstehen, die einerseits zum Werkzeugbruch führen können und andererseits die Hauptspindel stark belasten würden.
Durch die höheren Vorschübe und Beschleunigungkräfte werden die Schlitten der HSC-Maschine starken Belastungen ausgesetzt. Um die Schwingungen bei der Bearbeitung zu minimieren wird bei der Konstruktion der Maschine auf hohe Stabilität und leichte Bauweise geachtet.
Werkzeuge
Durch das Entfallen und die Verkürzung einzelner Fertigungsabläufe beim Einsatz von HSC sind die Anforderungen an die Werkzeuge höher. Die Qualität der Schneidstoffe ist durch ihre Härte und Zähigkeit festgelegt. Fräser, die bei der HSC verwendet werden, sind üblicherweise aus feinkörnigem Vollhartmetall. Durch das Verkleinern der Korngröße kann sowohl die Zähigkeit als auch die Härte optimiert werden. Zusätzlich erhöhen die harten und oxidationsbeständigen TiAlN- Beschichtungen die Lebensdauer der Werkzeuge.
