High performance in precision machining of aluminium

„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.
 

„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.

Zugleich sind aus wirtschaftlichen Aspekten möglichst hohe Zerspanungsraten erforderlich. Deshalb spielen neben den Eigenschaften der Bearbeitungsmaschine auch die eingesetzten Werkzeuge eine wesentliche Rolle. Ihre Eignung wird im Rahmen umfassender Vorversuche auf Herz und Nieren geprüft, da der Auftrag für alle Beteiligten von der erfolgreichen Validierung durch den Kunden abhängt. Bei solchen Projekten ist MAPAL aufgrund der Kompetenz im Bereich der Werkzeugentwicklung und -herstellung ein häufig hinzugezogener Entwicklungspartner.

„Bei einem aktuell anstehenden Bauteil sind die Anforderungen an das Werkzeug extrem hoch“, sagt Thomas Jungbeck, Technischer Berater bei MAPAL. Der Kunde benötigt hohe Zerspanungsleistungen, wofür die bavius Maschine – eine PBZ HD mit einer Spindelleistung von 80 kW bei einer Drehzahl von bis zu 30.000 min-1 – die idealen Voraussetzungen bietet. Bei der Anwendung liegt die Messlatte bei rund 7-8 Litern an erzeugtem Spanvolumen pro Minute. Eine Herausforderung für die Werkzeuge ist zunächst die geringe Größe der Taschen, was die Einsatzmöglichkeiten von großformatigen Eckfräsern begrenzt.

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.

„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.
 

„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 is particularly pleased that the milling cutters prevent vibrations even in very tight corners. The MAPAL tools performed excellently here. Another advantage that bavius achieves with the milling cutters is the excellent surfaces after finishing. The performance is also convincing: „We were able to fully exploit the high dynamics of our machine. In combination with the tools, this resulted in a time saving of 26 percent during this trial“, Stefan Diem concluded.