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Neuartiger Walzenstirnfräser reduziert Bearbeitungskräfte signifikant

Neuartiger Walzenstirnfräser reduziert Bearbeitungskräfte signifikant

© IFW
Vergleich von konventionellen und neuartigen Walzenstirnfräsern

Eine am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover entwickelte neue Werkzeuggeometrie reduziert die Prozesskräfte bei der Schruppbearbeitung von Titan- und Stahlwerkzeugen signifikant und steigert damit die Produktivität. Die zur Schruppbearbeitung – einer hochproduktiven, groben Vorbearbeitung – eingesetzten Walzenstirnfräser sind immensen Kräften ausgesetzt. „Bei der Schruppbearbeitung sind hohe Zeitspanvolumina gefordert. Dementsprechend hoch sind die Prozesskräfte. Man muss sich vorstellen, dass an einem solchen Werkzeug mit 14,9 kN die Gewichtskraft eines PKWs wirkt“, erläutert IFW-Mitarbeiter Oliver Pape. Diese Kräfte stellen die wesentliche Prozessgrenze für eine Steigerung der Produktivität dar. Pape: „Wenn wir die Prozesskräfte reduzieren, können wir die Produktivität steigern.“ In seinem Projekt „Walzenstirnfräser mit neuartiger Flankengestalt“ hat der Wissenschaftler dafür eine neuartige Werkzeuggeometrie entwickelt.

Walzenstirnfräser besitzen eine zylindrische Hüllkontur, bei der die Schneiden sowohl am Umfang als auch an der Stirn angeordnet sind. Ausgeführt werden diese zumeist als ein mit rechteckigen Wendeschneidplatten bestückter Stahlgrundkörper. Die Anordnung und Form der Wendeschneidplatten nimmt dabei unmittelbaren Einfluss auf die resultierende Radialkraft, die eine Prozessgrenze für eine derartige Bearbeitung darstellt.

Eine Möglichkeit, die Produktivität von Walzenstirnfräsern bei gegebener Maschinenleistung deutlich zu erhöhen, besteht in der Variation der Flankengestalt der Werkzeuge. Werden runde Wendeschneidplatten anstelle der üblicherweise verwendeten rechteckigen eingesetzt, können die radialen Kräfte reduziert und ein erhöhter Kraftanteil in Richtung der Hauptspindel eingeleitet werden. „In dieser Richtung besitzt eine Werkzeugmaschine ihre maximale Steifigkeit, sodass sich ein günstiges Systemverhalten ergibt“, erklärt Oliver Pape. Ein ähnlicher Ansatz wird bei Vollhartmetall-Fräswerkzeugen bereits durch wellenförmig geschliffene Schneiden erzielt. Durch die runden Wendeschneidplatten hat der Forscher dies erfolgreich auf Walzenstirnfräser übertragen. 

Eine besondere Herausforderung stellt die Auslegung eines solchen Walzenstirnfräsers und insbesondere die Anordnung der Wendeschneidplatten auf dem Grundkörper dar, die bei konventionellen Walzenstirnfräsern zumeist erfahrungsbasiert erfolgt. Pape: „Eine erfahrungsbasierte Auslegung ist für diesen neuen Walzenstirnfräser nicht mehr möglich. Aus der Werkzeuggeometrie resultieren sichelförmige Spanungsquerschnitte, deren Kraftwirkung nicht mehr intuitiv vorhergesagt werden kann.“ Aus diesem Grund hat der Forscher in seinem Projekt die Prozesskräfte mit einer geometrischen Materialabtragsimulation modelliert und mit einem Optimierungsalgorithmus minimiert. „Mit diesem Vorgehen konnte die maximale Radialkraft in der ersten Werkzeugiteration um 14 % und in der zweiten Iteration um 21 % reduziert werden“ erläutert Pape. Dem Endanwender kann somit ein Werkzeug bereitgestellt werden, dass den Energiebedarf bei der Zerspanung deutlich reduziert oder eine signifikant erhöhte Produktivität bietet.

Kontakt:

Für weitere Informationen steht Ihnen M. Sc. Arnd Heckemeyer, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen, unter Telefon +49 511 762 5207 oder per E-Mail unter heckemeyer@ifw.uni-hannover.de gern zur Verfügung.