Was ist das CNC-Konturfräsen? Auslegung von Vorschubweg und Schnittparametern

Bei der CNC-Bearbeitung wird die Bahn, der der Fräser-Positionspunkt relativ zum Werkstück folgt, als Bearbeitungsbahn bezeichnet. Die Bahnplanung wirkt sich unmittelbar auf die Maßgenauigkeit und die Oberflächenrauheit aus. Eine geeignete Bahn sollte vier Grundsätzen folgen:

1. Es sollte die erforderliche Genauigkeit und Oberflächengüte erreichen und dabei eine hohe Effizienz gewährleisten.
2. Dies soll numerische Berechnungen vereinfachen und den Programmieraufwand verringern.
3. Er sollte so kurz wie möglich sein, um sowohl die Programmblöcke als auch die Nicht-Schneidezeit zu reduzieren.
4. Dabei sollten die verfügbare Aufmaßreserve sowie die Steifigkeit der Maschine, des Werkzeugs und des Werkstücks berücksichtigt werden.

Anfahr-, Ausfahrbewegungen und Fräserradiuskompensation

Beim Konturfräsen ist in der Regel eine Fräserradiuskorrektur erforderlich. Die Werkzeugbahn sollte die Korrektur vor dem Eintauchen des Fräsers in das Werkstück aktivieren und erst nach dem Austritt des Fräsers aus dem Werkstück wieder deaktivieren.

Beim Ein- und Ausfahren aus einem Profil sollte der Fräser einer zur Kontur tangentialen Linie oder einem Bogen folgen. Durch tangentiales Ein- und Ausfahren lassen sich die Werkzeugspuren vermeiden, die bei einer direkten, senkrechten Annäherung entstehen können, und die fertige Kontur bleibt glatt.

Eine einfache Methode sieht vor, die Radiuskompensation zu aktivieren, während sich der Fräser in einer geraden Linie vom Punkt S auf die Kontur zubewegt. Anschließend kehrt der Fräser in einer geraden Linie zu S zurück, wobei die Kompensation während des Rücklaufs aufgehoben wird. Dieser direkte Ansatz ist effizient, jedoch kann der Kontakt an der Stelle, an der der Fräser auf das Profil trifft, eine sichtbare Kontaktmarke hinterlassen. Er eignet sich daher eher für Fälle, in denen keine strengen Anforderungen an die Kontur gestellt werden.

Um eine hochwertige Kontur zu erzielen, wird während einer geraden Bewegung vom Punkt S aus, die das fertige Profil nicht berührt, eine Radiuskompensation eingerichtet. Bei aktiver Kompensation führt ein Bogen das Schneidwerkzeug dann auf natürliche Weise tangential in die kreisförmige Kontur ein. Nach Fertigstellung der Kontur wird die Ausfahrsequenz umgekehrt, und die Kompensation wird während der abschließenden geraden Rückfahrt deaktiviert.

Nach Abschluss des Fräsens einer Außenkontur sollte der Fräser tangential von außerhalb des Profils eintauchen und nach Beendigung der Bearbeitung entlang einer Tangente zurückgezogen werden.

Zerspanungsparameter für das Konturfräsen

Axiale und radiale Schnitttiefe

Die Flöte oder die Länge der seitlichen Schneidkante bestimmt die maximale Schnitttiefe. In der Praxis ist die axiale Schnitttiefe in Z-Richtung (a_p) sollte das 1,5-Fache des Fräserdurchmessers nicht überschreiten. Die radiale Schnitttiefe (a_w) sollte den Fräserradius nicht überschreiten.

Ein Schaftfräser mit kleinerem Durchmesser erfordert eine geringere Schnitttiefe, um eine ausreichende Steifigkeit zu gewährleisten.

Wenn ein Schaftfräser eine unbearbeitete Oberfläche vorbearbeitet, kann für den Schwerzerspanungsbetrieb ein gezahnter Vorbearbeitungsfräser verwendet werden, sofern das System aus Werkzeugmaschine und Werkstück dies zulässt. Muss ein großer Materialüberschuss abgetragen werden, ist ein Schaftfräser mit größerem Durchmesser und kürzerer Länge vorzuziehen.

Diese Kombination trägt dazu bei, ein Flattern und eine Durchbiegung des Schneidwerkzeugs bei schweren Schneidarbeiten zu verhindern oder zumindest beide Effekte auf ein Minimum zu beschränken.

Vorschubgeschwindigkeit

Unterschiedliche Betriebsbedingungen erfordern unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten. Die Vorschubbewegung lässt sich in zwei Arten unterteilen:

• Eilganggeschwindigkeit: der Vorschub, der für den Leerhub verwendet wird.
• Vorschubgeschwindigkeit bei der Bearbeitung: der Arbeitsvorschub, der beim Einfahren, Ausfahren und Schneiden verwendet wird.

Um die Effizienz zu steigern und die Nicht-Bearbeitungszeit zu verkürzen, sollte der Eilgang so schnell wie möglich sein und in der Regel die von der Maschine zugelassene Höchstgeschwindigkeit nutzen.

Der Vorschub bei der Bearbeitung (v_f) hängt von der Schnittgeschwindigkeit ab (n), Anzahl der Zähne (z) sowie der Vorschub pro Zahn (f_z) wie folgt:

v_f = f_z · z · n      Gleichung (5-1)

wobei:

• v_f ist der Vorschub;
• f_z ist der Vorschub pro Zahn in Millimetern pro Zahn (mm/Zahn);
• z ist die Anzahl der Schneidezähne; und
• n ist die Drehzahl des Schneidwerkzeugs.

Vorschub pro Zahn (f_z) wird hauptsächlich anhand der mechanischen Eigenschaften des Werkstückmaterials, des Schneidwerkstoffs und der erforderlichen Oberflächenrauheit ausgewählt.

Mit zunehmender Festigkeit und Härte des Werkstücks, f_z sollten abnehmen; wenn sie abnehmen, f_z kann steigen. Ein Hartmetallfräser ermöglicht in der Regel einen höheren Vorschub pro Zahn als ein vergleichbarer Fräser aus Schnellarbeitsstahl.

Eine strengere Anforderung an die Oberflächenrauheit erfordert eine kleinere f_z. Ein Werkstück mit geringer Steifigkeit oder ein Fräser mit begrenzter Festigkeit erfordert ebenfalls einen kleineren Wert.

Vorschubgeschwindigkeit auf Kreisbögen

Bei der Kreisinterpolation beträgt die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit am Schneidpunkt (v_T) weicht von der gewählten Vorschubgeschwindigkeit in der Mitte des Schneidwerkzeugs ab (v_f) aufgrund des Bogenradius.

Bei einem Außenbogen beträgt die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit am Schnittpunkt:

v_T = RR + r · v_f

Daher: v_T < v_f

Bei einem Innenbogen beträgt die tatsächliche Vorschubgeschwindigkeit am Schnittpunkt:

v_T = RR − r · v_f

Daher: v_T > v_f

Wenn R ≈ r, wird der tatsächliche Vorschub am Schnittpunkt extrem hoch und kann zu Schäden am Werkzeug oder am Werkstück führen. Der Einfluss des Bogenradius muss daher bei der Wahl des programmierten Vorschubs berücksichtigt werden.

Auch andere besondere Faktoren beeinflussen die Wahl der Vorschubgeschwindigkeit. Bei der Konturbearbeitung können beispielsweise Trägheit oder Verformungen im Bearbeitungssystem an einer Ecke zu einem Über- oder Unterlauf führen.

Bewegt sich der Fräser mit hoher Vorschubgeschwindigkeit von Punkt A in Richtung Punkt B, kann es aufgrund der Trägheit an Ecke B zu einem Überlauf und einem zu tiefen Schnitt kommen. Dabei wird überschüssiges Material an der Ecke abgetragen, was zu einem Konturfehler führt.

Ein variabler Vorschub kann dieses Problem beheben. Verringern Sie den Vorschub entsprechend, bevor Sie die Ecke erreichen, und erhöhen Sie ihn dann schrittweise, nachdem der Fräser die Ecke passiert hat.

Drehzahl der Frässpindel

Bei der Bearbeitung von Stahl sollte ein Wendeschneidplatten-Fräser aus Hartmetall in der Regel mit einer höheren Spindeldrehzahl betrieben werden als ein herkömmlicher HSS-Fräser.

Mit steigender Spindeldrehzahl bei der Bearbeitung von Hartmetall steigt auch die Temperatur des Stahls, der mit der Schneidkante in Kontakt steht. Das Material wird lokal weicher, wodurch günstigere Schnittbedingungen entstehen.

Die bei einem Hartmetallfräser verwendete Spindeldrehzahl beträgt in der Regel das Drei- bis Fünffache der bei einem herkömmlichen HSS-Fräser verwendeten Drehzahl. Wird ein Wendeschneidplatten-Hartmetallfräser mit einer zu niedrigen Spindeldrehzahl betrieben, kann dies zu Ausbrüchen am Hartmetall oder sogar zum Versagen des Fräsers führen.

Bei einem Schnellarbeitsstahlfräser beschleunigt eine zu hohe Spindeldrehzahl jedoch den Werkzeugverschleiß.

Die Fräsgeschwindigkeit kann auch anhand einer entsprechenden Schnittgeschwindigkeitstabelle ausgewählt werden.

[BILD-PLATZHALTER: Referenztabelle für Fräsgeschwindigkeiten]

Abbildung: Referenztabelle für Fräsgeschwindigkeiten

Vibrationen und Korrektur der Schnittparameter

Ein Schaftfräser kann während der Bearbeitung ins Ruckeln geraten. Häufige Ursachen hierfür sind eine unsichere Werkzeugspannung, ein zu großer Überhang der Schneide aus dem Halter, eine zu große Schnitttiefe oder Vorschubgeschwindigkeit bei der Bearbeitung dünner Wände sowie eine Durchbiegung der Schneide.

Durch Vibrationen kommt es zu einem ungleichmäßigen Eingriff an den Umfangsschneiden des Fräsers. Die tatsächliche Schnittkraft kann den vorgesehenen Wert überschreiten, was die Bearbeitungsgenauigkeit und die Standzeit des Werkzeugs beeinträchtigt.

Wenn Vibrationen auftreten, verringern Sie sowohl die Schnittgeschwindigkeit als auch den Vorschub. Sollten nach einer Verringerung beider Werte um 40% weiterhin erhebliche Vibrationen auftreten, verringern Sie die Schnitttiefe.

Sollte das Rattern weiterhin bestehen, überprüfen Sie die Bearbeitungsmethode und die Steifigkeit der Aufspannung.