Schwingungsanfällige Strukturbauteile prozesssicher bearbeiten

„Für unsere Kunden ist es wichtig, Bauteile möglichst in einer Aufspannung zu bearbeiten“, betont Leander Bolz, Vertriebsleiter PKD-Werkzeuge bei MAPAL. „Um dieser Forderung nachzukommen und möglichst alle zu bearbeitenden Bereiche für die Werkzeuge zugänglich zu machen, müssen Zerspaner allerdings Abstriche bei der Aufspannung machen. Das heißt in der Folge, dass das Werkstück nicht optimal abgestützt ist und zu Schwingungen neigt.“ Überdies stellen dünne Stege, Hohlräume und Unterbrechungen sowie stark schwankende Aufmaße des Gussrohlings spezielle Bedingungen dar. Bei großen Bauteilen mit vielen Bearbeitungen benötigen Zerspaner darüber hinaus eine große Anzahl an Werkzeugen. Leander Bolz: „Wir versuchen daher, wo immer möglich einzelne Bearbeitungsschritte zu Kombinationswerkzeugen zusammenzufassen. So reduzieren wir die Nebenzeiten und die Anzahl benötigter Werkzeugplätze.“ 

MAPAL greift auf ein umfassendes Prozessverständnis im Hinblick auf die Bearbeitung labiler Strukturbauteile zurück und ist so in der Lage, wirtschaftliche und sichere Prozesse umzusetzen. Dabei sind mehrere Ansatzpunkte von Bedeutung. Zunächst sind die Schnittwerte eine Stellschraube, über die Zerspaner während der Bearbeitung ein Aufschwingen vermeiden können. Dabei sind sowohl Schwingungen des Werkzeugs zu vermeiden, die zu Vibrationen und damit schlechten Standzeiten und Bearbeitungsergebnissen führen, als auch Schwingungen des Werkstücks. Letzteres würde ein Rückfedern des Bauteils gegen die Schneide nach sich ziehen und könnte Beschädigungen am Werkzeug verursachen. Die zweite wichtige Stellschraube in der Prozessauslegung ist die Betrachtung des Werkzeuggrundkörpers. Der Werkzeughersteller muss den Grundkörper entsprechend gestalten und das optimale Material auswählen, um Vibrationen zu reduzieren. Darüber hinaus sorgt eine intelligente Schneidenanordnung in Form und Lage dafür, die Zerspankräfte niedrig zu halten. Und schließlich bietet auch der Zerspanungsprozess selbst Möglichkeiten, schwingungsanfällige Bauteile sicher zu bearbeiten. Durch die Wahl alternativer Teilprozesse ergibt sich eine veränderte Kräfteverteilung, die die Prozesssicherheit erhöhen kann. Beispielsweise kann der Ersatz einer Vollbohroperation durch eine Zirkularfräsoperation den Prozess stabilisieren.  

For example, we used a circular milling cutter for face and circumferential milling to machine a suspension part because we had to contend with strong vibrations,” says Leander Bolz, explaining an example of a successfully adapted tool for structural parts. For this purpose, a reduced helix angle and a reduced number of teeth were used for circumferential milling (Z=3). With the resulting reduced machining forces, the vibrations are controllable. The subsequent face milling step of the tool, which is particularly susceptible to wear, is consequently carried out with economical ISO indexable inserts. With a contact width of 6 mm and a cutting depth of 60 mm, maximum cutting values can be achieved. In addition, the tool has been given a face geometry with Z=6 in order to machine another face milling operation on the part economically and in the shortest cycle time.

Cutting data:

• vf = 2,700 mm/min
• fz = 0.1 mm
• n = 9,900 rpm

An adapted plunge milling cutter is also used in a suspension part. The tool semi-circularly plunges into a tab and cuts over the centre as the depth increases. An optimised face geometry and chip flute design, a load-reduced cutting edge arrangement as well as the integration of vibration dampers in the clamping tool used keep vibrations to a minimum and enable a reliable process.

Cutting data:

• vf = 1,200 mm/min
• fz = 0.1 mm
• n = 4,500 rpm

With a disc milling cutter set, several ribs and chambers are grooved simultaneously and the
face surfaces are finish machined. In order to keep the milling process quiet and to prevent the chips from jamming, the cutting action has been specially adapted and a cut distribution realised. The tool reliably machines all areas in one operation, which is of great importance due to the demand for a high number of cycles.

Cutting data:

• vf = 600 mm/min
• fz = 0.07 mm
• n = 1,500 rpm

Bolz presents one particularly interesting tool used for the robot-assisted insertion of fixing
bores as a final example. “This is a combination tool in several respects,” he reports. “We have installed fixed brazed PCD cutting edges here for long tool lives and replaceable ISO indexable inserts for machining that is very susceptible to wear. In addition, the tool combines pre-machining and fine machining. And finally, it performs both a drilling and a milling operation.”

Milling cutting data:

• fz = 0.1 mm
• n = 3,800 rpm

Drilling cutting data:

• fz = 0.08 mm
• n = 480 rpm

In a wide variety of industries, vibration-prone, unstable parts must be machined reliably. Controlling the vibrations occurring due to the design plays an important role in the design of the process and tools. MAPAL is also an experienced technology partner in this area, which ensures reliable processes through a large number of adjustments during the process definition and design.