Leitfaden für das Kavitätenfräsen: Strategien, Werkzeuge und CAM-Taktiken

Das Kavitätenfräsen, der Prozess des Abtragens von Material aus einem festen Block zur Herstellung einer geschlossenen oder teilweise geschlossenen Tasche, ist ein grundlegender, aber anspruchsvoller Vorgang in der CNC-Bearbeitung. Es ist in verschiedenen Branchen unerlässlich, insbesondere im Formenbau, in der Luft- und Raumfahrt und in der allgemeinen Präzisionstechnik, wo Teile oft tiefe, komplexe Innenmerkmale erfordern. Effizienz, Genauigkeit und eine hochwertige Oberflächengüte beim Kavitätenfräsen zu erreichen, hängt von einem differenzierten Verständnis der Strategien, der Auswahl geeigneter Werkzeuge und dem intelligenten Einsatz von Computer-Aided Manufacturing (CAM)-Taktiken ab.

Strategischer Ansatz für das Kavitätenfräsen

Das wichtigste Prinzip für ein erfolgreiches Kavitätenfräsen ist die Steuerung der Schnittkräfte und der Spanabfuhr, insbesondere in tiefen Taschen. Ein gestaffelter Ansatz mit mehreren Werkzeugen ist oft einem Versuch mit einem einzigen, langen Werkzeug überlegen.

1. Schruppstrategie: Maximierung der Materialabtragung

Das Hauptziel der Schruppphase ist es, den Großteil des Materials so schnell und sicher wie möglich abzutragen und eine gleichmäßige Materialschicht für den Schlichtdurchgang zu hinterlassen.

• Adaptives und Trochoidales Fräsen: Moderne CAM-Systeme haben das Schruppen mit Werkzeugwegen wie Adaptive Clearing oder Trochoidal Milling revolutioniert. Diese Strategien halten eine konstante Werkzeugbelastung aufrecht, indem sie die radiale Zustellung ($text{a}_text{e}$) variieren und gleichzeitig eine axiale Zustellung in voller Länge ($text{a}_text{p}$) ermöglichen. Dies gewährleistet eine stabile Bearbeitung, geringere Wärmeentwicklung, reduzierte Vibrationen und eine deutlich verlängerte Werkzeugstandzeit, insbesondere bei Werkzeugen mit großer Auskragung.

• Vorbohren oder Eintauchfräsen: Bevor der Schruppweg in einer geschlossenen Kavität gestartet wird, wird dringend empfohlen, ein Pilotloch mit einem Bohrer zu erstellen oder das Eintauchfräsen einzusetzen. Dies bietet einen klaren, kraftarmen Einstiegspunkt für den Schaftfräser und verhindert die hohen Stoßbelastungen, die mit dem Rampen oder dem spiralförmigen Eintauchen in festes Material verbunden sind.

• Gestaffelte Werkzeuglängen: Für tiefe Kavitäten sollte eine progressive Schruppstrategie mit Werkzeugen mit zunehmender Länge angewendet werden. Beginnen Sie mit dem kürzesten, steifsten Werkzeug, um das Material aus dem oberen Bereich zu entfernen. Dies maximiert die Materialabtragsraten, bei denen das Werkzeug am stabilsten ist. Wenn die Kavität tiefer wird, wechseln Sie zu längeren, schwingungsgedämpften Haltern und Werkzeugen und verlangsamen Sie die Bearbeitungsparameter ($text{a}_text{e}$ und Vorschub), um die verringerte Steifigkeit auszugleichen.

2. Semifinish und Eckenausarbeitung

Nach dem primären Schruppen kann erhebliches Material verbleiben, insbesondere in Ecken, aufgrund des Radius des Schruppwerkzeugs.

• Eckenrestbearbeitung: Diese Strategie verwendet einen Schaftfräser mit kleinerem Durchmesser, um das vom vorherigen, größeren Werkzeug zurückgelassene Material zu entfernen. Dies ist entscheidend für die Vorbereitung der Kavität für den endgültigen Schlichtdurchgang und die Reduzierung der Belastung des Schlichtwerkzeugs.

• Z-Level-Strategie (Konturzüge): Für Merkmale mit vertikalen oder nahezu vertikalen Wänden wird typischerweise eine Z-Level- oder Konturstrategie verwendet, bei der sich das Werkzeug seitlich um die Wand in verschiedenen Z-Tiefen bewegt. Eine kleine Zustellung wird verwendet, um die Oberflächengüte und die Schrittweite zu steuern.

3. Schlichtstrategie: Erzielung von Genauigkeit und Oberflächenqualität

Schlichtdurchgänge erfordern minimalen Materialabtrag, hohe Präzision und einen Fokus auf die Oberflächenintegrität.

• Wandschlichten: Ein Federdurchgang oder ein letzter Schnitt mit der gleichen Tiefe und dem gleichen Vorschub, aber ohne Materialabtrag (aufgrund von Durchbiegungskompensation), kann manchmal verwendet werden, um die Seitenwände zu reinigen. Für hochwertige Oberflächen muss das Werkzeug eine ausreichende Nutenlänge und Steifigkeit aufweisen, um die gesamte Wandhöhe in einem Durchgang zu erfassen, oder eine sehr feine Zustellung verwenden.

• Bodenschlichten: Hierbei wird oft ein Schaftfräser mit flachem Boden mit einer sehr kleinen Schrittweite (radialer Eingriff) und einem hohen Vorschub verwendet.

• 3D-Oberflächenschlichten: Für komplexe, konturierte Böden und Wände werden 3D-Schlichtpfade wie Parallel, Scallop oder Spiral verwendet, typischerweise mit Kugelfräsern. Das CAM-System berechnet den Werkzeugweg basierend auf einer konstanten Scallop-Höhe (der Höhe des ungeschnittenen Materials, das zwischen den Durchgängen verbleibt), um eine gleichmäßige Oberflächengüte zu gewährleisten.

Wesentliche Werkzeuge für das Kavitätenfräsen

Die richtige Werkzeugauswahl ist das Rückgrat des effizienten Kavitätenfräsens. Bei der Auswahl müssen das Werkstückmaterial, die erforderliche Oberflächengüte und das Verhältnis von Tiefe zu Durchmesser (L/D) der Kavität berücksichtigt werden.

• Schaftfräser:

  • Vollhartmetall: Die Standardwahl für Festigkeit und Langlebigkeit.

  • Hochleistungsgeometrie: Achten Sie auf variable Helix- und ungleiche Teilungsnuten. Diese Konstruktionen unterbrechen harmonische Schwingungen und verbessern die Stabilität und Oberflächengüte drastisch, insbesondere in tiefen Taschen.

  • Eckenradius: Werkzeuge mit einem kleinen Eckenradius werden scharfen, quadratischen Schaftfräsern vorgezogen. Der Radius verstärkt die Schneidkante, verlängert die Werkzeugstandzeit und sorgt für einen etwas besseren fertigen Radius in der Taschenecke.

• Beschichtungen: Die Beschichtung ist für die Steuerung von Wärme und Reibung unerlässlich.

  • AlTiN/TiAlN: Hervorragend für die Hochtemperaturbearbeitung von Stählen, Edelstahl und Titan.

  • AlCrN: Eine sehr zähe Beschichtung, die sich für Hochvorschubanwendungen in harten Materialien eignet.

  • Unbeschichtet/ZrN: Bevorzugt für Aluminium und NE-Metalle, um das Anhaften von Material (Aufbauschneide) zu verhindern.

• Werkzeughalter: Die Qualität des Halters wirkt sich direkt auf die Steifigkeit aus, die in tiefen Kavitäten von größter Bedeutung ist.

  • Schrumpffutter oder Hydraulikhalter: Diese bieten die höchste Haltekraft und Konzentrizität und reduzieren Rundlauffehler und Vibrationen drastisch.

  • Schwingungsgedämpfte Halter: Spezialhalter, oft mit internen Dämpfungsmechanismen, sind entscheidend für Anwendungen mit großer Auskragung, bei denen das L/D-Verhältnis hoch ist.

CAM-Taktiken und Parametersteuerung

Das CAM-System ist der Ort, an dem die Bearbeitungsstrategie in Maschinenanweisungen umgesetzt wird, und die Optimierung seiner Parameter ist der Schlüssel zum Erfolg.

• Spanabfuhr und Kühlmittel: In tiefen Kavitäten müssen Späne sofort abgeführt werden, um ein erneutes Schneiden zu verhindern, das übermäßige Wärme, Werkzeugverschleiß und eine schlechte Oberflächengüte verursacht.

  • Hochdruck-Kühlmittel durch die Spindel: Dies ist die effektivste Methode, da es Späne direkt am Kontaktpunkt aus der Schneidzone herausschleudert.

  • Luftstrahl: Eine ausgezeichnete Alternative oder Ergänzung, insbesondere bei der Bearbeitung von Materialien wie Gusseisen oder Aluminium, bei denen ein thermischer Schock durch Kühlmittel ein Problem darstellt.

• Optimale Bearbeitungsparameter:

  • Schruppen: Konzentrieren Sie sich auf eine große $text{a}_text{p}$ (axiale Zustellung) und eine kleine $text{a}_text{e}$ (radiale Zustellung), gepaart mit einem hohen Vorschub. Dies folgt dem Prinzip der "Hochgeschwindigkeitsbearbeitung" mit Spanverdünnungseffekten, wodurch sichergestellt wird, dass die Kräfte für maximale Stabilität entlang der Werkzeugachse gelenkt werden.

  • Schlichten: Verwenden Sie eine leichte $text{a}_text{e}$ und $text{a}_text{p}$ und eine feine Schrittweite/Scallop-Höhe, um die erforderliche Oberflächengüte zu erzielen. Priorisieren Sie Konzentrizität und Werkzeugrundlauf.

• Einfahren und Ausfahren: Programmieren Sie sanfte, tangentiale Ein- und Ausfahrbewegungen. Das direkte Eintauchen in den Schnitt verursacht hohe Stoßbelastungen und potenzielles Rattern. Spiralförmige Rampen oder sanfte S-Kurven sind die bevorzugten Möglichkeiten, um in das Material einzudringen, insbesondere bei Seitenwanddurchgängen.

• Vorschub- und Drehzahlanpassungen: Nutzen Sie die Fähigkeit des CAM-Systems, die Vorschübe in engen Ecken automatisch anzupassen. Wenn ein Werkzeug in eine Ecke eintritt, erhöht sich die effektive Spanungsdicke dramatisch, wodurch die Belastung ansteigt. Durch Verlangsamen des Vorschubs in diesen Bereichen werden Rattern, Werkzeugdurchbiegung und vorzeitiger Verschleiß verhindert, wodurch sichergestellt wird, dass die Wände gerade und maßhaltig bleiben.

Das Beherrschen des Kavitätenfräsens erfordert einen ganzheitlichen Ansatz. Durch die Kombination von aggressiven Schruppstrategien mit konstanter Belastung mit der Steifigkeit von Hochleistungswerkzeugen und der Präzision intelligenter CAM-Taktiken können Zerspaner einen oft schwierigen Vorgang in einen routinemäßigen, hocheffizienten Prozess verwandeln. Die Kernbotschaft bleibt die gleiche: Steuern Sie die Kräfte, räumen Sie die Späne ab und erhalten Sie jederzeit die Werkzeugsteifigkeit.