Leistungsstarkes Wirbelfräsen für ein deutlich größeres Anwendungsspektrum – das bietet die neue Funktion OCM (Optimized Contour Milling) der TNC-Steuerungen von Heidenhain. Die schnelleren und schonenderen Fräsprozesse lassen sich an der Maschine programmieren.

2 Inseln und Taschen mit beliebigen Konturen: Die neue Option OCM der Heidenhain-TNC-Steuerungen verringert bei diesem  Demowerkstück Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß um den Faktor 3

Fräsen

Spanende Verfahren

Softwaretools für die Zerspanung

Software

Steuerungen / CNC für Werkzeugmaschinen

Automatisierungstechnik

Steuerungen (Hardware und Software)

Werkzeugschonend Fräsen  mit hohem Zeitspanvolumen

Im Vergleich zum konventionellen Fräsen erlaubt das Trochoidalfräsen größere Schnittgeschwindigkeiten und Schnitttiefen bei geringerer Belastung von Werkzeug und Maschine. Zerspaner können so komplexe Fräsarbeiten schneller und kostengünstiger erledigen.

Durch das Trochoidalfräsen kann die Standzeit der Werkzeuge bis um ein Zehnfaches verlängert werden, die Bearbeitungszeiten reduzieren sich um 30 bis 40 Prozent

Bearbeitungszentren

Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung

Wirtschaftliches Fräsen  mit hoher Oberflächengüte

Die Rosenthal GmbH mit Hauptsitz im oberfränkischen Selb (Bayern) ist einer der renommiertesten Hersteller von Porzellanerzeugnissen in Deutschland. Im Werk Speichersdorf konnte mit VHM-Wechselkopffräsern der Baureihe QCH von ZCC Cutting Tools die Prozesseffizienz deutlich gesteigert werden.

Fräswerkzeuge

Präzisionswerkzeuge

Fräsleistung mit Glanzeffekt

Der Vollhartmetallfräser Haimer Mill ist ein Alleskönner – zum Schruppen und Schlichten, zum Bohren, Besäumen, Rampen und Nuten in nahezu allen Materialien. Jetzt ergänzen eine kurze und eine lange Version das Sortiment. Sie sind ebenfalls universell einsetzbar und sorgen für zusätzliche Vorteile.

Für seine universelle Einsatzbarkeit geschätzt: der Vollhartmetallfräser HAIMER MILL. Es gibt ihn nun auch in einer Langversion F2004LL mit 3 x D für große Eingriffstiefen: Sein Halsfreischliff erhöht die mögliche Frästiefe um weitere 1 x D

Maschinenbau allgemein

Maschinenbau

Medizintechnische Apparate und Materialien

Elektrotechnik, Elektronik

Lohnfertigung, mechanisch

Dienstleistungen

Lohnfertigung

Bohrwerkzeuge

Allround-Fräser in Kurz- und Langversion

Speziell die Medizintechnik und die Uhrenindustrie entgraten schwierig zu erreichende Werkstückgeometrien wirtschaftlich und zuverlässig mit dem aktuell von HB microtec vorgestellten Kugelfräser ACTIONMILL Lollipop.

Mikro-Präzisionswerkzeuge

Entgraten

Oberflächentechnik

Mechanisches Bearbeiten manuell

Feinmechanik

Mikrozerspanung

Prozesssicher entgraten

Die Paul Horn GmbH präsentiert eine Neuentwicklung zum Hochvorschubfräsen. Mit den Systemen DAH82 und DAH84 zeigt Horn eine neue Generation für dieses Fräsverfahren. Die acht nutzbaren Schneiden der präzisionsgesinterten Wendeschneidplatte bieten einen günstigen Schneidenpreis und eine hohe Wirtschaftlichkeit.

Die positive Schneidengeometrie sorgt bei den Systemen DAH82 und DAH84 von Horn trotz der negativen Einbaulage für einen weichen und ruhigen Schnitt.

Hohes Spanvolumen

Neuentwicklung zum Hochvorschubfräsen

Speziell für diese Trocken- oder Nassbearbeitung von Graphit hat die Zecha Hartmetall-Werkzeugfabrikation GmbH die bewährten und patentierten SEAGULL-Fräser um eine innovative Serie ergänzt.

Serien 567/568 & 577/578   Serie 576.T3: Kurze Schlicht- und lange Schruppschneide

Fräser für die Graphitbearbeitung

Ein prestigeträchtiges Großprojekt voller Herausforderungen: Das Fertigen von Bronzeleisten für das CCH – Congress Center Hamburg stellt die Weihbrecht Lasertechnik GmbH vor technische Probleme. Eine Weltneuheit von Gühring rettet den Auftrag.

Eindrucksvoller Empfang: Die Eingangshalle des Kongresszentrums CCH soll in neuem Glanz erstrahlen. Dafür soll das Unternehmen Weihbrecht die Bronzeleisten liefern

Fräser SpyroTec im Einsatz bei Weihbrecht

Hufschmied Zerspanungssysteme GmbH lädt ein zur Virtual Masterclass „Thermoplastisches Carbon-Winglet bearbeiten“ am 23. Februar 2021 um 14 Uhr.

Hochleistungswerkstoff Tecatec PPS CW50 black ist ein kohlenfaserverstärktes Polyphenylensulfid

Werkzeuge für Leichtbauwerkstoffe

Fräsmaschinen

Lernen am anspruchsvollen Composite-Beispiel

Porzellan scheint kaum geeignet zu sein, um das Können von Fräswerkzeugen zu belegen.  Und doch gibt es solch einen Leistungsbeweis − bei Rosenthal in Speichersdorf. Wechselkopffräser von ZCC Cutting Tools bearbeiten dort Werkstoffe in großer Varianz hoch effizient.

1 Anmut trifft  Effizienz: Stücke der Rosenthal-TAC-Kollektion von Bauhaus-Gründer Walter Gropius und die Fräser der QCH-Serie von ZCC  Cutting Tools, die an ihrer Fertigung mitwirken   © Rosenthal, ZCC-CT

Fräsdreh-Zentren

Dreh- und Frästeile

Maschinenelemente

Mechanische Konstruktionselemente

Drehfräs-Zentren

Drehmaschinen

Pfeiffer, Frank

Glänzende Fräsergebnisse

Mit dem als Power Skiving bezeichneten Wälzschälverfahren können Hersteller von Elektrofahrzeugen Bearbeitungszeiten deutlich reduzieren und ihre Produktivität steigern.

Da immer mehr Automobilhersteller in den Markt für Elektrofahrzeuge einsteigen, steigen auch die Anwendungsfälle für mehrstufige Getriebeübersetzungen.

Elektromobilität

Mobilität

Elektrofahrzeug-Hersteller nutzen Power-Skiving-Verfahren

Bei der Maschinenfabrik Berthold Hermle AG setzte sich die seit Mitte 2020 spürbare moderate Nachfrageerholung im ersten Quartal 2021 fort.

5-Achs-Bearbeitungszentren

Hermle spürt Nachfragebelebung im ersten Quartal

Auf der AMB 2022 präsentiert WFL das Dreh-Bohr-Fräszentrum M20-G MILLTURN mit Automatisierung sowie die M50-G MILLTURN mit smarten Werkzeugen und innovativer Software.

Bohren

Komplettbearbeitung

Drehen

Führend in der Komplettbearbeitung: WFL auf der AMB!

Bauteilverzug ist ein großer Kostenfaktor in der Zerspanung, besonders bei großen und dünnwandigen Werkstücken, wie sie im Leichtbau oder in der Luftfahrt dominieren. Das Fraunhofer IPT in Aachen hat nun gemeinsam mit Partnern ein System zur Reduzierung eigenspannungsbedingter Bauteilverzüge entwickelt.

Im Forschungsprojekt ‘VoKoEs’ entwickelte das Projektteam eine Simulationssoftware zur Vorhersage und Reduzierung von Bauteilverzügen sowie ein adaptives, hydraulisches Spannsystem für die Fräsbearbeitung von Luftfahrtstrukturbauteilen

Simulation

NC-Programm-Simulation

Luftfahrt

Werkstückspanntechnik, spanend

Spanntechnik

Geringerer Bauteilverzug beim Fräsen

Prozessregelung für höhere Genauigkeit beim Fräsen

Studie zur Abdrängungskompensation beim Fräsen

Durch Prozesskräfte kommt es während der spanenden Bearbeitung zu einer Abdrängung des Werkzeugs. Mithilfe einer neuentwickelten prozessparallelen Abdrängungskompensation lassen sich die resultierenden Geometrieabweichungen des Werkstücks minimieren.

von Berend Denkena, Heinrich Klemme, Dennis Stoppel

Bei der spanenden Fertigung führt Werkzeugabdrängung zu Geometrieabweichungen erster Ordnung, wodurch vorgegebene Toleranzen unter Umständen nicht eingehaltenwerden können. Mithilfe einer Prozessregelung lässt sich die Geometrieabweichung potenziell minimieren. Dazu wird die Abdrängung prozessparallel bestimmt und kompensiert [1, 2]. Voraussetzungen sind, dass die Prozesskräfte in Echtzeit gemessen werden können und die Nachgiebigkeit von Maschine und Werkzeug bekannt sind. Gegenwärtig wird am IFW Hannover ein solches System zur Abdrängungskompensation in Zusammenarbeit mit der Deckel Maho Seebach GmbH erforscht und an einem 5-Achs Fräszentrum HSC30 linear umgesetzt. Die Besonderheit ist, dass hierzu keine zusätzlichen Sensoren benötigt werden. Kräfte werden auf Basis von steuerungsinternen Signalen berechnet.

Wie aus Steuerungssignalen Kräfte rekonstruiert werden

Prozesskräfte lassen sich grundsätzlich durch direkte oder indirekte Messung erfassen. Die häufigste Form der direkten Messung ist die Messung mittels Dynamometer. Dynamometer bieten eine hohe Genauigkeit, schränken jedoch den Arbeitsraum ein und gehen mit hohen Anschaffungskosten einher [3]. Eine Alternative stellen Dehnungsmesstreifen dar. Am Spindelschlitten appliziert, ermöglichen sie eine Rekonstruktion der Prozesskräfte anhand der gemessenen lokalen Dehnungen [4]. Um die Prozesskräfte jedoch ohne zusätzliche Sensorik aus den Antriebsströmen zu rekonstruieren, wird am IFW die indirekte Kraftmessung eingesetzt. Dazu wird das Übertragungsverhalten zwischen den Antrieben der Maschine und den am Werkzeug wirkenden Prozesskräften modelliert. Die Modellierung hängt insbesondere von den Eigenschaften der Antriebe, der Führungen sowie der Struktur der Maschine ab. Im Falle der HSC30 werden die Reibung der Führungen, die Massenträgheit der Achs-Schlitten, die Pol- und Nutrastkräfte sowie die positionsabhängigen Rückstellkräfte berücksichtigt [2]. Die Parametrierung des Modells erfolgt über Leerlauffahrten der einzelnen Achsen, zunächst mit konstantem Vorschub und anschließend mit einem definierten Beschleunigungsprofil.

Zur Validierung des Modells wurden die rekonstruierten Prozesskräfte mit den Messwerten eines Dynamometers verglichen. Bespielhaft ist ein solcher Vergleich für einen Nutenfräsprozess in Bild 1 dargestellt. Für die spätere Kompensation sind vorrangig die Prozesskräfte in x- und y-Richtung relevant, da die Kräfte in z-Richtung kaum zur Durchbiegung des Werkzeugs beitragen. Links in Bild 1 sind Messung und Rekonstruktion der Kraft in x-Richtung zu sehen. Die Abweichung (Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung, RMSE) zwischen Messung und Rekonstruktion beträgt 36,2 N. Rechts in Bild 1 ist die Rekonstruktion für die Kraft in y-Richtung zu sehen, die Abweichung (RMSE) beträgt dabei 28,3 N. Hier kommt es beim Anfahren sowie beim Abbremsen der Achsbewegung, bedingt durch Ruck und Haftreibung, zu kurzzeitigen Spitzen der rekonstruierten Kräfte, die von der Messung abweichen. Diese Spitzen werden für die weitere Anwendung mit Signalfiltern unterdrückt.

Bestimmung der Steifigkeit von Werkzeug und Maschine

Um von den Prozesskräften auf die Abdrängung zu schließen, ist die Kenntnis über die Steifigkeit von Maschine und Werkzeug notwendig. Da der genaue Betrag der Steifigkeit unbekannt ist, wurde am IFW eine Methode entwickelt, die Steifigkeit aufwandsarm zu identifizieren. Dazu wird eine sogenannte ‘sanfte Kollision’ zwischen Werkzeug und Werkstück durchgeführt (Bild 2).

Die sanfte Kollision wird für verschiedene Werkzeugwinkel φ wiederholt, da die Biegesteifigkeit, bedingt durch die Werkzeuggeometrie, abhängig von der Kraftrichtung ist. Aus der Durchbiegung des Werkzeugs und der Kollisionskraft lässt sich die Biegesteifigkeit EI berechnen. Die Ergebnisse sind beispielhaft in Bild 3 für einen Schaftfräser mit Durchmesser D = 8 mm dargestellt. Für die verschiedenen Winkel ergeben sich Abweichungen von EImw von bis zu 10,0 N·m². Die Biegesteifigkeit des rotierenden Werkzeugs wird durch den Mittelwert EImw = 27,4 N·m² angenähert. Mit der mittleren Steifigkeit EImw und den rekonstruierten Kräften, wird die Werkzeugabdrängung über einen einseitig eingespannten Biegebalken in Echtzeit berechnet und als Abdrängungsvektor der Steuerung zur Verfügung gestellt.

Mithilfe eines Prozessregelkreises lässt sich die Geometrieabweichung des Werkstücks auf Basis des Abdrängungsvektors kompensieren. Zunächst wurde dazu eine Vorschubregelung implementiert, die die Vorschubgeschwindigkeit mit zunehmender Abdrängung mittels P-Regler reduziert. Aus der zulässigen Formabweichung und der rekonstruierten Abdrängung wird die Regeldifferenz berechnet und die Stellgröße, der Vorschub-Override, wird angepasst. Als zweiter Ansatz wurde eine Kompensation mittels Bahnanpassung durchgeführt, bei der als Stellgröße ein Achs-Offset genutzt wird. Vorteil der Bahnanpassung ist, dass die Prozessdauer gleich bleibt. Für die Kompensation wird die Regeldifferenz analog zur Vorschubreglung berechnet. Diese geht in einen P-Regler ein, der als Stellgröße den Bahnoffset ausgibt. Bei einer Abdrängung in positive x-Richtung folgt so ein Bahnoffset in negative x-Richtung. Zur Evaluation der Kompensationsmethoden wird ein vorgegebenes Stufenprofil zerspant (Bild 4). Die Gestaltabweichungen der bearbeiteten Oberfläche werden mittels Messtaster gemessen. Der erste Messpunkt liegt dabei auf einer Referenzfläche, bei der das Werkzeug entlang der Werkstückkontur verfährt, ohne Material abzutragen. Aus der Differenz zu dieser Referenzfläche wird die Abdrängung am zweiten Messpunkt für ae = 2,5 mm berechnet. Die Messpunkte liegen bei einer Messtiefe von zwks = -2,0 mm.

Die Ergebnisse (Bild 5) zeigen, dass die Abdrängung mithilfe der Vorschubregelung um 38 Prozent verringert wird. Gleichzeitig führt der Ansatz zu einer Vorschubreduzierung von bis zu 30 Prozent, wodurch die Produktivität verringert wird. Mithilfe des Bahnoffsets gelingt es hingegen, durchschnittlich 78 Prozent der Werkzeugabdrängung zu kompensieren, ohne die Produktivität zu beeinträchtigen.

Die Forschungsergebnisse zeigen, dass es möglich ist, Werkzeugabdrängung auf Basis von Antriebssignalen, das heißt ohne Zusatzsensorik, zu kompensieren. Mithilfe einer prozessparallelen Bahnanpassung konnte die Geometrieabweichung für den untersuchten Prozess erfolgreich um durchschnittlich 78 Prozent reduziert werden. Dazu wurden zunächst die Prozesskräfte, die in x- und y-Richtung wirken, rekonstruiert. Die Steifigkeiten von Werkzeug und Maschine werden dazu autonom über das Verfahren der ‘sanften Kollision’ ermittelt. Im weiteren Verlauf des Forschungsvorhabens wird die Kompensation auch bei der Fertigung komplexerer Werkstückgeometrien erforscht.

[1] Pfeiffer, G: Positions- und richtungsabhängige Abdrängungskompensation von 3-Achs-Werkzeugmaschinen bei der Schruppbearbeitung. Dissertation, TU Darmstadt, 2019. Schriftreihe des PTW: ‘Innovative Fertigungstechnik’, Shaker Verlag, Düren.

[2] Denkena, B; Bergmann, B; Stoppel, D: Tool deflection compensation by drive signal-based force reconstruction and process control. Procedia CIRP 104 (2021), S. 571–575.

[3] Wan, M; Yin, W; Zhang, W H: Study on the correction of cutting force measurement with table dynamometer. Procedia CIRP 56 (2016), S. 119–123.

[4] Boujnah, H: Kraftsensitiver Spindelschlitten zur online Detektion und Kompensation der Werkzeugabdrängung in der Fräsbearbeitung. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2019, Berichte aus dem IFW, Band 2019, 6, Tewiss Verlag, Hannover.

Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) 

https://www.ifw.uni-hannover.de

16:9

Bild 1: Ergebnisse der Prozesskraftrekonstruktion im Vergleich zur Messung mittels Dynamometer

Bild 2: Sanfte Kollision: a) Bewegung des Werkzeugs (überhöhte Darstellung), b) Trajektorie und Kraft

Bild 3: ‘Sanfte Kollision’ für verschiedene Werkzeugwinkel

Bild 4: Vorgehen zur Validierung der Abdrängungskompensation: a) Fräsprozess, b) Konturmessung (Draufsicht), c) Konturmessung (Seitenansicht)

2022-12-02_IFW_Fräsen

IFW-Projekt: Abdrängungskompensation beim Fräsen

Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena leitet seit 2001 das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) am Produktionstechnischen Zentrum der Leibniz Universität Hannover.

Dipl.-Ing. Heinrich Klemme studierte Maschinenbau an der Leibniz Universität Hannover und ist seit 2021 Leiter des Bereichs Maschinen und Steuerungen am IFW.

M.Sc. Dennis Stoppel studierte Biomechatronik an der Universität Bielefeld und ist seit 2019 wissenschaftlicher Mitarbeiter am IFW.

Der Dank der Autoren gilt der DFG für die Förderung des Forschungsprojekts „Abdrängungskompensation auf der Basis von Antriebsströmen“ (Projektnummer 399080398) sowie dem Projektpartner, der Deckel Maho Seebach GmbH.