Prozessoptimierung für HSS-Schleifen: Nutbearbeitung
- Schaftfräser
- Numroto 3D Simulation
Werkzeuge aus HSS haben weiterhin große Bedeutung in speziellen Bearbeitungsbereichen, in denen sich Hartmetall nicht durchsetzen konnte:
Bei der Bearbeitung von dünnwandigen Teilen aus Titan und bei zähen Kupferlegierungen (Buntmetallen). Die hier eingesetzten HSS-Schneidstoffe sind zumeist Kobaltlegierungen sowie PM-Sinterwerkstoffe, deren Härte bis 67 HRC sowie die Neigung zu verhältnismäßig langen Spänen wiederum für die Schleifbearbeitung eine Herausforderung darstellen.
Die grundsätzliche Herausforderung beim Schleifen von HSS-Schneidstoffen besteht darin, mit einerseits hohen Schnittwerten einen wirtschaftlichen Prozess zu realisieren und andererseits das Werkstück auf keinen Fall thermisch zu überlasten.
Die wesentlichen Randbedingungen, die für einen wirtschaftlichen Herstellungs-prozess betrachtet werden müssen, sind schnell definiert: Werkstück, Schleifscheibe, Kühlschmierstoff und Bearbeitungsmaschine.
Maschine und Programmiersystem
Auf der neu entwickelten Werkzeugschleifmaschine WZS 700 REINECKER ist im Folgenden der erste umfangreiche HSS- Schleifversuch beschrieben. Die Bearbeitung wurde von Thomas Becker (Anwendungstechnik Ulmer Werkzeugschleiftechnik GmbH & Co. KG) unter NUMROTOplus programmiert, die Maschine für den Versuch entsprechend eingerichtet.
Kühlschmierstoff
Die Kühlmittelanlage wurde mit einem DiaGrind-Basisöl von der Firma oelheld GmbH aus Stuttgart befüllt, das Öl hatte eine mittlere Viskosität und war nur mit wenigen Additiven versehen. Während der Versuche wurde die Auswirkung des Öles auf die Schleifleistung durch gezielte Zugabe spezieller Additive hinsichtlich erreichbaren Vorschubs und Schleifbrandbildung optimiert. Seitens oelheld wurden die Versuche sehr intensiv durch Herrn Martin Jäckle betreut.
Die Kühlmittelpumpe stellte mit 120 l/min bei 10 bar eine realitätsnahe Versorgung dar, ein Kühler stabilisierte die Anlage thermisch.
Schleifscheiben
Aufgrund der stark variablen Spanraumgeometrie werden nach wie vor leicht abrichtbare, keramisch gebundene Scheiben mit Hochleistungs-Stäbchenkorund (TGX), eingesetzt. CBN-Scheiben sind relativ teuer und bieten nur für konkrete Formen eine wirtschaftlich vergleichbare Alternative. Die Wahl fiel im ersten Anlauf auf NORTON, da hier schon aus der Vergangenheit Erfahrungswerte vorlagen. Für diesen Versuch hat die Firma Saint-Gobain Abrasives unterschiedliche Spezifikationen und anwendungstechnische Kompetenz durch Herrn Neugebauer zur Verfügung gestellt.
Werkstück
Schaftfräser zylindrisch
Werkstoff: HSS-E Co 5
Durchmesser: 32 mm
Nut: 36° Drall mit L= 62 mm
Schneiden z = 6
Im folgenden Versuch wird nur die Bearbeitung der Nut optimiert, da diese den wesentlichen Anteil der Gesamtbearbeitung darstellt.
Arbeitsrichtwerte:
Konstant: Schnitttiefe gesamt 5,1 mm
Abrichtbetrag 0,03 mm
Die variablen Arbeitsrichtwerte sowie die Bewertungskriterien sind im jeweiligen Versuch aufgeführt.
Versuch 1
Mit einer marktgängigen Schleifscheibe NORTON- TGX120 und ebenfalls aktuell bewährten Additiven im Kühlschmierstoff wurden in jedem Versuch mindestens 12 Nuten geschliffen und bewertet:
Arbeitsrichtwerte V1:
3 x Schruppzyklus vc = 60 m/sec mit f1= 800 mm/min
1 x Schlichtzyklus vc = 60 m/sec mit f1= 800 mm/min
Gegenlauf
Ergebnisse V1:
Zykluszeit tges = 5 min 29 sec
Max. Leistungsaufnahme 25 %
Anlassfarbe sichtbar im Nutauslauf
Oberfläche Rz 2,5
Max. Abtragsrate 8.300 mm³/min
In weiteren Versuchen wurden dann die variablen Werte systematisch verändert sowie unterschiedliche Strategien beim Abrichten angewendet.
Teilweise haben sich deutliche Schwankungen in der Leistungsaufnahme, der thermischen Belastung sowie bei Geräuschen im Prozess und somit im Ergebnis gezeigt.
Versuch 6
Mit der Schleifscheibe aus Versuch 1 und einem durch reine Additivierung optimierten Kühlschmierstoff wurden in diesem Versuch ebenfalls 12 Nuten bearbeitet:
Arbeitsrichtwerte V6:
2 x Schruppzyklus vc = 60 m/sec mit f1= 800 mm/min
1 x Schlichtzyklus vc = 60 m/sec mit f1= 1.000 mm/min
Gleichlauf
Ergebnisse V6:
Zykluszeit tges = 3 min 43 sec
Max. Leistungsaufnahme 29 %
Anlassfarbe keine, Rissprüfung negativ
Oberfläche Rz 1,6
Max. Abtragsrate 14.600 mm³/min
- Grafik zum Einrichten gleichmäßiger Abtragsraten aus Numroto 3D Simulation
Zusammenfassung:
Durch gezielte Änderung einzelner Prozessparameter erfolgte eine schrittweise Prozessoptimierung. Signifikante Veränderungen ergaben sich durch reduzierte Arbeitszyklen mit mehr Schnitttiefe und annähernd gleicher Abtragsrate sowie einer veränderten Bearbeitung für den Nut-Auslauf. Dies erfordert eine entsprechende Expertise im Umgang mit dem Programmiersystem.
Die Abrichtstrategie wurde gezielt auf maximale Schärfe der Schleifscheibe gebracht, damit sank proportional der Leistungsbedarf. Im Leistungsbedarf spiegelt sich der gesamte Schleifprozess wieder, allerdings ohne den Wirkungsgrad zu definieren: Der Leistungsbedarf steigt z.B. rapide an, sobald durch Passivkräfte die Reibung hoch wird und dennoch unzureichender Abtrag stattfindet. Dies äußert sich entsprechend in der thermischen Belastung des Werkstücks, die Folgen sind Verfärbung und Risse.
- Nutauslauf mit Anlassfarben
Der Anwender kann seine Maschine und deren Leistung also nur dann effektiv umsetzen, wenn der gesamte Prozess optimiert ist. Das heißt, dass bei gegebenem Werkstück die passende Schleifscheibe mit der richtigen Abricht- und Schleifstrategie eingesetzt werden muss.
Einfluss und Wirkung des Kühlschmierstoffs sind erheblich, müssen aber ebenfalls als Konstante betrachtet werden und grundsätzlich zum Prozess passen. Ein Öl, das z.B. für die Bearbeitung von Hartmetall optimiert wurde, ist für die Bearbeitung von HSS- Werkstoffen nur eingeschränkt tauglich. Einzig variable Größen wären Druck und Volumenstrom, gezielte Zufuhr zum Prozess wird vorausgesetzt.
Die Anforderungen werden von einer zeitgemäßen 5-Achs CNC-Universalschleif-maschine grundsätzlich erfüllt, wobei für das effiziente Schleifen von HSS eine Abrichteinrichtung sowie genügend Leistung und Kühlschmierstoff verfügbar sein müssen.
Die Werkzeugschleifmaschine WZS 700 REINECKER hat mit 22/ 29 kW Spindelantriebsleistung und reichlich Drehmoment genügend Potenzial, um Arbeitsrichtwerte auch bei Scheiben mit Durchmesser 200 mm umzusetzen, die den gesamten Prozess sehr wirtschaftlich darstellen.