Ausgehend von der Anwendung der NX CNC-Bearbeitungstechnologie in der Schruppbearbeitung von Rohlingen werden in diesem Beitrag die neu eingeführte "Adaptive Milling"- und die klassische "Cavity Milling"-Strategie analysiert und verglichen. Durch die Kombination dieser Methoden mit dem Produktionsprozess typischer Teile werden die Programmiervorteile umfassend genutzt, um Schruppmethoden zu optimieren, den Großteil des überschüssigen Materials schnell zu entfernen und die Bearbeitungseffizienz zu verbessern.
Die CNC-Programmierung ist die grundlegende Aufgabe in der CNC-Bearbeitung. Das Festlegen der Bearbeitungsschritte und die Auswahl der geeigneten Methoden sind kritische Schritte in der Prozessplanung vor der Programmierung. Unterschiedliche Bearbeitungsumgebungen und unterschiedliche Materialaufmaße erfordern maßgeschneiderte Bearbeitungsstrategien. Diese Studie konzentriert sich auf die unterschiedlichen Schruppansätze des "Adaptiven Fräsens" und der klassischen "Kavitätenfräsen"-Strategien von NX 12.0.2. Durch die Untersuchung ihrer Anwendung bei der Herstellung eines repräsentativen Teils werden die Werkzeugwege und die Bearbeitungseffizienz verglichen, um ihre unterschiedlichen Auswirkungen auf den Schneidprozess zusammenzufassen.
2. Bearbeitungsstrategien
2.1 Kavitäten-Fräsen
Beim "Kavitätenfräsen" wird das Schruppen erreicht, indem Material von Schichten senkrecht zu einer festen Werkzeugachse entfernt wird, um die Teilekontur zu formen. Es handelt sich um ein klassisches Schruppmodul der NX-Serie, mit folgenden Eigenschaften:
- Bei Teilen mit komplexen 3D-Oberflächen und mehreren Inseln oder Formteilen kann das Kavitätenfräsen schnell primäres und sekundäres Schruppen durchführen und spielt eine Schlüsselrolle bei der schnellen Materialabtragung.
- In der Regel wird ein (wendeschneidbarer) Schaftfräser mit spezifischem Durchmesser verwendet, der entweder den Teilekonturen oder den umgebenden Berandungen folgt. Durch die Einstellung der Schnittschichttiefe und des horizontalen Abstands wird das Material nach dem Motto "kleine Schnitttiefe, große Zustellung" abgetragen. Das heißt, der radiale Schnitt (ae) ist groß, der axiale Schnitt (ap) ist klein und die durchschnittliche Spandicke (hm) ist ungleichmäßig.
2.2 Adaptives Fräsen
Der neu eingeführte NX 12.0.2-Befehl "Adaptives Fräsen" ist für Hochgeschwindigkeits-Schruppen und schwere Zerspanungen konzipiert. Es entfernt Material aus Schichten senkrecht zu einer festen Achse mit einer adaptiven Werkzeugwegstrategie mit den folgenden Hauptmerkmalen:
- Besser geeignet für Teile mit erheblichen Schwankungen im Materialaufmaß der Seitenwand, tiefen geraden Wandinseln und Hohlräumen mit flachen Böden, wobei Schicht für Schicht entlang der Seitenwände geschruppt wird.
- In der Regel wird je nach Material ein Schaftfräser in geeigneter Größe ausgewählt. Mit dem Ansatz "kleine Zustellung, große Schnitttiefe" wird das Material unter Beibehaltung einer konsistenten Werkzeugvorschubrichtung und beim konventionellen Aufstiegsfräsen abgetragen. Das heißt, der Radialschnitt (ae) ist klein, der Axialschnitt (ap) ist groß und die durchschnittliche Spandicke (hm) bleibt konstant.
So können für Teile, bei denen beide Strategien anwendbar sind, zwei unterschiedliche CNC-Programme für das Schruppen erstellt werden, die jeweils grundlegend unterschiedliche Bearbeitungsphilosophien widerspiegeln. Beim adaptiven Fräsen wird der Werkzeugeingriff entlang der Schneidkante maximiert, um die Schnitttiefe und -effizienz zu erhöhen, während beim Kavitätenfräsen ein Prozentsatz des Werkzeugdurchmessers verwendet wird. Um die Effizienzsteigerung in der Produktion durch das adaptive Fräsen zu bewerten, wird ein vergleichendes Bearbeitungsbeispiel vorgestellt.
3. Anwendungsbeispiel
3.1 Eigenschaften des Teils
Abbildung 1 zeigt eine Art Stützkomponente für eine Baugruppe in der Luft- und Raumfahrt (halbtransparente Bereiche kennzeichnen den Rohling). Material: Aluminiumlegierung 7075 mit Anforderungen an die Oberflächenrauheit von Ra = 3,2 μm und einer lokalen Oberflächenrauheit von Ra = 1,6 μm. Die minimalen Begrenzungsabmessungen des Teils betragen 100 mm × 94,828 mm × 70 mm, bearbeitet aus zylindrischen Rohlingen von φ120 mm × 76 mm. Die erste Versuchscharge bestand aus 30 symmetrischen Stücken.
Abbildung 1. Support-Teil
Die Aluminiumlegierung 7075 ist stark, duktil und mechanisch zuverlässig, wodurch sie in Luft- und Raumfahrtkomponenten üblich ist. NX 12.0-Simulationen zeigen, dass das Volumenverhältnis zwischen Rohling und Fertigteil etwa 7:1 beträgt, wobei das Schruppen den größten Teil der gesamten Schnittzeit in Anspruch nimmt. Die Schruppbereiche weisen erhebliche Schnitttiefen und -breiten auf und eignen sich daher sowohl für das adaptive Fräsen als auch für das Kavitätenfräsen.
3.2 Bearbeitungsplan
Bei der Produktion wird ein fünfachsiges vertikales Bearbeitungszentrum Aumate GS1000/5-T verwendet, das mehrere Arbeitsgänge ohne Vorrichtungswechsel ermöglicht. Die Maschine verfügt über eine kleine Portalstruktur, einen Wiegetisch, lineare X-, Y-, Z-Achsen, rotierende A- und C-Achsen, eine maximale Spindeldrehzahl von 18.000 U/min und eine Antriebsleistung von 40 kW.
Zum Schruppen kommt ein dreischneidiger Flachfräser aus Aluminiumlegierung (16 mm Durchmesser, 95 mm Gesamtlänge, 40 mm Schnittlänge, 40° Schrägungswinkel) zum Einsatz, der von einer Spannzange ER32 (JT40) mit einer Spannlänge ≤ 40 mm gehalten wird. Das Bauteil wird mit einem selbstzentrierenden Spannfutter gespannt und in zwei Schritten bearbeitet, die jeweils in drei Stufen unterteilt sind: Schruppen → Nachschruppen (lokale Eckenreinigung) → Schlichten und Bohren.
3.3 Bearbeitungsprozess
Schritt 1:Bearbeitung des Grundkörpers, der kreisförmigen Hohlräume und verschiedener Löcher mit einer maximalen Tiefe von 57 mm.
Der Werkzeugweg für das Kavitätenfräsen (Abbildung 2) verwendet hauptsächlich die Werkzeugspitze mit radial großer Zustellung und geringer axialer Schnitttiefe. Die Werkzeugwegabdeckung ist breit gefächert, mit langen Wegen, mehreren axialen Schichten und häufigen Rückzügen.
Abbildung 2. Analyse des Werkzeugwegs beim Kavitätenfräsen
a) Werkzeugweg b) 3D-Simulation
Der Werkzeugweg für das adaptive Fräsen (Abbildung 3) nutzt die seitlichen Schneidkanten mit einer kleinen radialen Zustellung und einer großen axialen Schnitttiefe. Die Schnitttiefe kann etwa das Doppelte des Werkzeugdurchmessers erreichen, wobei hauptsächlich das kontinuierliche Aufstiegsfräsen entlang der Seitenkanten erfolgt. Es werden weniger axiale Schichten benötigt, was die Bearbeitungsstabilität, die Standzeit und die Hochgeschwindigkeitsfähigkeit verbessert.
Abbildung 3. Adaptive Fräswerkzeugweganalyse
a) Werkzeugweg b) 3D-Simulation
Schritt 2:Umgedrehtes Teil, Bearbeitung von oberen Naben, Schrägen, Hohlräumen und Bohrungen, max. Schrupptiefe 20 mm. Der Vergleich des Werkzeugwegs (Abbildung 4) zeigt:
Abbildung 4. Vergleich des Werkzeugwegs von zwei Schruppmodulen
a) Kavitätenfräsen b) Adaptives Fräsen
Die Analyse zeigt verjüngte Neigungen zwischen den Layern. Das Kavitätenfräsen setzt das Schichtschneiden von oben nach unten fort und folgt den Teilekonturen, um ein gleichmäßiges Vorschlichtaufmaß zu erzielen. Adaptives Fräsen ermöglicht das "Bottom-up"-Schneiden, indem Werkzeugwege zwischen den Schichten mit geringen Tiefenänderungen hinzugefügt werden, wodurch Materialreste auf eine minimale, gleichmäßige Verteilung reduziert werden – vorteilhaft für ein stabiles Vorschlichten. Die Strategie bearbeitet direkt die Bodenflächen und senkt sie dann ab, um einen saubereren und effizienteren Weg zu gewährleisten.
4. Umfassende Effekte
4.1 Experimentelle Ergebnisse
Die Schnittparameter und Bearbeitungsdauern für beide Strategien sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle der Bearbeitungsparameter
| Spindeldrehzahl | Vorschub | Schritt 1 Schneiden | Stufen-Schneiden | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Bearbeitungsstrategie | Spezifikationen des Fräsers | nf (U/min) | vf (mm/min) | Parameter des Schnittschritts | Zeit/min | Zeit/min |
| ET | $m (a,) | «Imm, GIA (a) = | ||||
| BIENE Nom | Frau | 3500 | 85 % des flachen Werkzeugradius | = | . | |
| : Ferse auf m, TK | HH (a,) + SVRITHERER 100%, | |||||
| Adaptives Fräsen (mm) | ae | 5000 | fer (a,): TERRI IIB |
Tabelle 1. Schnittparameter und -dauer
Optimierte Schruppparameter zielen auf maximale Produktivität unter Berücksichtigung der Leistungsbeschränkungen der Maschine ab. Adaptives Fräsen und Kavitätenfräsen unterscheiden sich aufgrund philosophischer Unterschiede.
Die Zerspanungsrate (Qmax) wird über Q = apaevf / 1000 berechnet. Hier erreicht das Kavitätenfräsen Qmax = 47,6 cm³/min, das adaptive Fräsen Qmax = 153,6 cm³/min die etwa dreifache Abtragsleistung. Gesamtschruppzeit für 2 Schritte: Kavitätenfräsen 33 min, adaptives Fräsen 11 min, Einsparung von 22 min pro Teil. Die Analyse des Werkzeugverschleißes zeigt, dass Kavitätenfräswerkzeuge nach 30 Teilen eine Abstumpfung der Spitzen aufweisen, während adaptive Fräswerkzeuge aufgrund der verbesserten Stabilität scharf bleiben.
4.2 Vergleichende Analyse
Abbildung 5. Bearbeitete Teile
a) Während der Bearbeitung b) Nach der Bearbeitung
Kavitätenfräsen:
- Kleiner axialer Schnitt und großer radialer Schnitt führen zu wiederholtem Spitzenverschleiß. Die Späne absorbieren nur begrenzt Wärme, was zu einer hohen Spitzentemperatur und einem beschleunigten Verschleiß führt.
- Variable Spandicke und großer radialer Eingriff führen zu ungleichmäßigem Materialabtrag, hohen Schnittkräften und instabiler Bearbeitung, die für das Hochgeschwindigkeitsschneiden ungeeignet sind.
Adaptives Fräsen:
- Großer axialer Schnitt und kleiner radialer Schnitt maximieren die Nutzung der Werkzeugkante, reduzieren den Spitzenverschleiß und verteilen die Schnittkräfte gleichmäßig. Dünne, lange Späne leiten über 90 % der Wärme ab, halten niedrige Temperaturen aufrecht und reduzieren die Verformung der Teile.
- Konstante Spandicke und gleichbleibende Vorschubrichtung führen zu einem glatten, kontrollierten Schicht-für-Schicht-Aufstiegsfräsen mit kleinen Eingriffswinkeln und gleichmäßigem Materialabtrag. Das Schneiden mit hoher Geschwindigkeit ist mit erhöhter Stabilität und höherer Zerspanungsleistung möglich.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Adaptive Frässtrategie von NX 12.0.2 beim Schruppen sowohl die Stabilität als auch die Produktionseffizienz verbessert.
Das Kavitätenfräsen wird häufig zum Schruppen von Teilen mit nicht geraden Wänden oder flachen/gekrümmten Kavitätenböden sowie zum Schlichten von flachen Wänden eingesetzt. Adaptives Fräsen eignet sich besser für Teile mit großen Variationen der Seitenwandzugabe, tiefen geraden Wandinseln und Kavitäten mit flachem Boden.
Während NX 12.0 Cavity Milling umfassend ist, bietet NX 12.0.2 Adaptive Milling zusätzliche, optimierte Optionen für das Schruppen unter bestimmten Bedingungen, die sowohl die Zuverlässigkeit als auch die Effizienz verbessern. Durch die richtige Auswahl des adaptiven Fräsens kann eine deutlich höhere Produktivität erzielt werden, wodurch es in der CNC-Bearbeitung verschiedener Luft- und Raumfahrtkomponenten sehr gut anwendbar ist.
