High performance in precision machining of aluminium
Machine and tool must harmonise for the best results
Lightweight components subject to particularly high dynamic loads, such as aluminium structural parts for aircraft, are usually machined from solid material. Up to 95 percent of the material is removed during the process. Such components are sometimes up to 30 metres long. The cutting machines need to deliver enormous performance with high precision because with residual wall thicknesses of less than two millimetres in some cases, even deviations in the tenths of a millimetre range could cause problems. Today, the market demands fully tested and optimised technology solutions consisting of machine, automation, tools and machining software. In this environment, milling tools which MAPAL has developed especially for high-performance machining have proven their worth.
„Our speciality is the development and manufacture of five-axis machining centres for high-performance cutting of large-format workpieces“, said Stefan Diem, application engineer at bavius technologie gmbh (bavius) in Baienfurt. The company, which originally belonged to the Handtmann Group, has been operating in this field for around 30 years and has correspondingly extensive expertise. In 2017, bavius became independent as part of a management buy-out and has since been operating under a new name.
The bavius machine users come from a wide range of industries. There’s a particular focus on aerospace. The requirements are especially high in this area. In most cases, it’s a matter of machining clearly defined parts or groups of parts made of high-strength aluminium alloys, which are always required in the same design for a period of around ten years. As the components are usually safety components for airplane structures, customers demand safe, fully validated technology solutions. These consist of machine, clamping setup and tools as well as machining technologies including all parameters. The solutions must meet the aircraft manufacturers‘ high safety standards in all points.
Precision challenge
„Such aircraft structural parts are partly milled from solid rolled material as well as forged blanks, whereby the machining volume can reach up to 95 percent“, added Michael Hofmann, Area Sales Manager at MAPAL. The structures are as filigree and thin-walled as possible in order to save as much weight as possible. This places the highest demands on precision, because during machining the tightrope walk between low weight on the one hand and assured compliance with the required component properties on the other must be mastered. In addition, the surface finish quality plays an essential role with safety-relevant components. Even the most minor damage could become the starting point for fatigue cracks in critical areas such as transitions or fillets. Such risks of failure must be avoided at all costs.
Numerous deep, partly very narrow pockets with thin walls produced using five-axis simultaneous machining.
At the same time the fastest-possible machining rates are required from an economic point of view. The tools used therefore play an essential role in addition to the properties of the processing machine. Their suitability is put through its paces as part of extensive pre-testing, as the order depends on successful validation by the customer for all those involved. MAPAL is a frequently consulted development partner for such projects due to its expertise in tool development and manufacture.
Extreme demands on the tools
„The demands on the tool are extremely high for a component currently in the pipeline“, said Thomas Jungbeck, Technical Advisor at MAPAL. The customer requires high cutting performance, for which the bavius machine (a PBZ HD with a spindle power of 80 kW at a spindle speed of up to 30,000 rpm) offers the ideal prerequisites. In the application, the benchmark is around 7-8 litres of generated chip volume per minute. A challenge for the tools is initially the small size of the pockets, which limits the possible applications of large-format milling cutters.
The five-axis machining centres on the PBZ HD series from bavius can machine workpieces with dimensions of up to 30,000 x 800 x 575 mm. The spindles (up to 80 kW/ 30,000 rpm/ 39 Nm) enable high machining rates.
Auch wegen des Hinterschnitts bei einigen Taschen sowie aufgrund der geringen Eckenradien muss ein Großteil der Zerspanungsaufgaben deshalb mit eher kleinformatigen Fräsern mit Durchmessern von lediglich 16 mm beim Schruppen beziehungsweise 12 mm beim Schlichten umgesetzt werden. Speziell für solche Anwendungen hat MAPAL Fräser aus Vollhartmetall entwickelt - den OptiMill-SPM-Rough für das Schruppen sowie den OptiMill-SPM-Finish zum Schlichten. Beide Fräser sind unbeschichtet. Dank entsprechend gestalteter Spannuten mit polierten Oberflächen können sie pro Sekunde bis zu 1.500 Späne abführen. Der dreischneidige Schruppfräser hat einen konischen Hals, was ihn besonders biegesteif macht. Als Ergänzung steht für Bereiche mit geeigneter Geometrie und ausreichend Raum der ebenfalls neu entwickelte Eckfräser SPM-Rough mit Wendeschneidplatten zur Verfügung.
Der für die Hochleistungszerspanung entwickelte innengekühlte Vollhartmetallfräser OptiMill-SPM-Rough für das Schruppen hat einen konischen Hals für optimale Steifigkeit.
Vibrationen im Griff
„Eine besondere Herausforderung bei solchen Einsätzen ist es, Vibrationen zu vermeiden“, sagt Michael Hofmann. Die großformatigen Bauteile mit ihren dünnen Wänden können leicht zu Schwingungen angeregt werden. Das wiederum zwingt zu einer reduzierten Bearbeitungsgeschwindigkeit. Besonders kritisch ist dies bei der Finishbearbeitung nahe am Bodenbereich der Taschen, wo zudem ein Radius im Übergang zum Boden einzuhalten ist. Hier kann es vor allem bei großen Umschlingungen im Eckenbereich bei den hohen Vorschüben schnell zu Vibrationen kommen.
Für die Schlichtfräser hat MAPAL deshalb eine neue Finishing-Geometrie speziell zum Schlichten von tiefen Taschen und filigranen Bauteilstrukturen entwickelt, die auch bei großen Umschlingungen einen „Pull-Effekt“ – sprich den Einzug des Werkzeugs in das volle Material – verhindert. Ebenso bedeutsam sind die hochpositive Geometrie der Schneiden sowie ihre asymmetrische Teilung. Dank der besonders langen Schneidkanten des vierschneidigen Finishfräsers kann das Schlichten auch bei sehr tiefen Taschen in einem einzigen Zug durchgeführt werden.
Dank seiner langen Schneiden kann der Schlichtfräser aus Vollhartmetall, der OptiMill-SPM-Finish, die Wände selbst tiefer Taschen in einem einzigen Zug bearbeiten.
Technologieentwicklung auf gutem Kurs
„Angesichts der Ergebnisse, die wir bei diesem Projekt mit den MAPAL Fräsern erzielt haben, sehen wir uns auf einem guten Weg“, bilanziert Stefan Diem. Im Versuch wurden die Bearbeitungen an einem Ausschnitt des Kundenbauteils optimiert, nun werden diese Erkenntnisse auf die Produktion beim Kunden übertragen.
Stefan Diem (2.v.r. von bavius) sowie Alexander Follenweider, Michael Hofmann und Thomas Jungbeck von MAPAL
Besonders zufrieden zeigt sich Stefan Diem, dass mit den Fräsern selbst in sehr engen Ecken Schwingungen vermieden werden. Hier verhielten sich die MAPAL Werkzeuge hervorragend. Ein weiterer Vorteil, den bavius mit den Fräsern erzielt, sind die sehr guten Oberflächen nach dem Finishen. Auch die Leistungsfähigkeit überzeugt: „Wir konnten die hohe Dynamik unserer Maschine voll ausschöpfen. In Kombination mit den Werkzeugen ergab dies bei diesem Versuch eine Zeitersparnis von 26 Prozent“, schließt Stefan Diem.
