Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Walzenstirnfräser mit neuartiger Flankengestalt

Walzenstirnfräser werden in der Hochleistungszerspanung im Maschinenbau oder der Luftfahrtindustrie zur Maximierung des Zeitspanvolumens eingesetzt. Bei der Bearbeitung mit Werkzeugdurchmessern bis 80 mm treten Prozesskräfte bis zu 50 kN und Schnittmomente bis 1000 Nm auf. Diese hohe mechanische Belastung ist aufgrund der begrenzten Steifigkeit und Festigkeit von Werkzeug und Werkzeugmaschine die wesentliche Verfahrensgrenze für die weitere Erhöhung der Produktivität. 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 heute verwendeten rechteckigen eingesetzt, können die radialen Kräfte reduziert und ein erhöhter Kraftanteil in axialer Richtung eingeleitet werden, in der das System Werkzeug/Hauptspindel die maximale Steifigkeit besitzt. Ziel des Forschungsvorhabens ist es daher, das Zeitspanvolumen von Walzenstirnfräsern bei der Bearbeitung von Ti-6Al-4V und 42CrMo4 bei gleicher Spindelleistung und Standzeit um mindestens 30 % zu steigern. Dies wird durch eine nicht rechteckige Flankengestalt erreicht, die mittels experimenteller Untersuchungen, FE-Simulationen und geometrischer Abtragssimulationen gezielt ausgelegt wird. Als Ergebnis steht ein neuartiger Walzenstirnfräser zur Verfügung, der das zur Verfügung stehende Potential der Werkzeugmaschinen effizienter ausnutzt. Von dem neuen Werkzeugtyp profitieren insbesondere die Endanwender mit einem Anteil an KMU von 97,3 % im verarbeitenden Gewerbe, weil hierdurch die Produktivität gesteigert und Fertigungskosten gesenkt werden. Zudem stellt der neue Werkzeugtyp ein Alleinstellungsmerkmal für Werkzeughersteller dar, wovon insbesondere Hersteller und Entwickler von Sonderwerkzeugen mit einem hohen Anteil an KMU profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

Mithilfe der Erkenntnisse des Projekts können Walzenstirnfräser mit runden anstatt rechteckigen Wendeschneidplatten ausgelegt werden. Durch die neuartige Flankengestalt der Werkzeuge kann die maximale Radialkraft als wesentliche Verfahrensgrenze für eine Erhöhung der Produktivität signifikant um 21 % reduziert werden. Somit erweitert sich das Anwendungsspektrum der Werkzeuge auf leistungsschwächere Werkzeugmaschinen, sodass insbesondere KMU profitieren, die sich keine teuren Bearbeitungszentren für die Schwerzerspanung leisten können. Die Grundlage für die Auslegung der Werkzeuge ist eine neuartige geometrische Materialabtragssimulation, mit der die Eingriffsbedingungen einzelner Schneiden berechnet werden können. Der entwickelte Simulationsansatz lässt sich auf beliebige Werkzeuggeometrien erweitern, sodass auch Sonderwerkzeuge kostengünstiger entwickelt werden können.