Die Trochoidal-Fräseinheit TMU 400 in der Anwendung.
Foto: Weingärtner

Bearbeitungszentren

Trochoidalfräsen im XXL-Stil

Das Trochoidalfräsen bringt Weingärtner Maschinenbau als „Complete Solution“ für das Nutenfräsen von sogenannten Tannenbaum-Nuten auf seine Multitask-Maschinen.

von Thomas Exenberger

Wirbelfräsen, Taumelfräsen, Wave Milling, Zirkular-Nutfräsen – Werkzeughersteller überschlagen sich mit Erfolgsmeldungen über ihre neuen Produktgenerationen für das Trochoidalfräsen. Denn die Begeisterung hat einen guten Grund, oder besser gesagt drei: Einsparung bei der Bearbeitungszeit von über 50 %, höhere Standzeiten der Werkzeuge um den Faktor zehn und fast jedes Material lässt sich bearbeiten. Sogar sehr schwierige, wie beispielsweise Nickellegierungen, Titan, Aluminium oder gehärtete Stähle.

Dabei ist Trochoidalfräsen nicht gerade neu. Das dynamische Fräsverfahren kennt man bereits seit vielen Jahren. Doch was bisher an den Fertigungsbedingungen gescheitert ist, wird mit den neuen Maschinengenerationen möglich. Und wieder haben wir drei Erfolgsfaktoren, die diesem Fräsverfahren endgültig zum Durchbruch verholfen haben.

Komplexe Bearbeitungsbahnen sind Herausforderung

Zum Ersten wäre da die erhöhte Rechnerleistung auf heutigen Bearbeitungszentren zu nennen. Denn Trochoidalfräsen verläuft auf komplexeren Bearbeitungsbahnen als das klassische Schruppfräsen. Und um diese zu berechnen, braucht man sehr viel Rechnerkapazität. Mehr, als in der Vergangenheit auf den gängigen Maschinenplattformen zur Verfügung stand. Komplexe Bearbeitungsbahnen auf Werkzeugmaschinen benötigen zusätzlich intelligente Software, die sie steuert. Leistungsfähige CAD/CAM-Systeme der neuesten Generation erlauben heute sogar eine Offline-Programmierung dieser komplexen Bearbeitungsbahnen und sind noch dazu auf bestehenden Maschinensystemen nachrüstbar.

Der dritte Erfolgsfaktor im Comeback des heutigen Trochoidalfräsens ist das Werkzeug selbst, das komplett in das Werkstück eintaucht. Deswegen sind die Schneiden beim Trochoidal-Fräswerkzeug an der ganzen Schaftlänge angeordnet und nicht nur an der Spitze. Hohe Radialkräfte auf das Werkzeug erfordern eine stabile Kerngeometrie. Der Hartmetalleinsatz im Fräser und die Oberflächenbeschichtung des Schneideinsatzes müssen sehr temperaturschockbeständig sein, um Haarrisse und Schneidbrüche zu vermeiden.

Fräser bewegt sich auf ellipsenähnlichen Bahnen

Und wo liegen die Schwachpunkte des Trochoidalfräsens? Gibt es Limits, die zu beachten sind, Grenzen der Physik oder schlicht und einfach die Kehrseite der Medaille? Die Trochoi-dal-Fräswerkzeuge sind meistens teurer als herkömmliche Fräswerkzeuge und auch das Aufrüsten auf eine neue CAD/CAM-Software kostet in der Regel Geld. Aber diese Mehrkosten lassen sich meistens durch die Einsparungen bei Bearbeitungszeit und Werkzeugstandzeit kompensieren.

Die Grenzen des Trochoidalfräsen findet man in der Anwendung, also im Werkstück, das gefräst werden soll, und in Folge im Maschinenkonzept, das bei der Bearbeitung zum Einsatz kommt. Dazu muss man zuerst verstehen, wie Trochoidalfräsen funktioniert. Bei diesem Fräsverfahren bewegt sich der Fräser nicht wie bisher hin und her, sondern eher im Kreis. Genauer gesagt, bewegt sich der Fräser auf ellipsenähnlichen Bahnen, die sich in der Vorwärtsbewegung überlagern. Dadurch wird der Eingriffswinkel der Schneidkante konstant gehalten, so dass der Fräser immer mit gleichbleibender Kraft und Geschwindigkeit durch das Material fahren kann. Das Resultat sind hohe Vorschubgeschwindigkeiten ohne Abbremsen bei Konturwechsel.

Hohe Achsdynamik der Maschine erforderlich

Deswegen macht dieses dynamische Bearbeitungsverfahren beim Fräsen von Konturen Sinn, zum Beispiel bei Nuten. Für große, plane Flächen eignet sich hingegen eher das klassische Schruppverfahren mit parallelen Fräsbahnen. Des Weiteren sollte die Werkzeugmaschine, auf der man Trochoidalfräsen anwendet, eine entsprechend hohe Achsdynamik besitzen. Ansonsten verliert man die Einsparung von Bearbeitungszeit auf den beim Trochoidalfräsen längeren Verfahrwegen. Das Fräsverfahren kann also auf Maschinenkonzepten angewendet werden, die Frässpindeln sehr schnell bewegen können. Bei relativ übersichtlichen Werkstückgrößen auf kleineren bis mittleren Bearbeitungszentren ist das Trochoidalfräsen von Nuten also sinnvoll und unproblematisch.

Anders verhält es sich aber bei der Fertigung von großen Werkstücken auf großen Fräs- und Drehzentren. Eine solche Applikation ist zum Beispiel das Fräsen von sogenannten Tannenbaum-Nuten auf Rotoren von Dampf- und Gasturbinen. Ein Fahrständer eines großen Fräs- und Drehzentrums kann bis zu 2 m hoch sein und bis zu 20 t wiegen. Solche Massen auf eine dynamische zyklische Bearbeitungsbahn zu schicken, würde sehr schnell zum kompletten Verschleiß und Ausfall von Lagern und bewegten Teilen führen.

Trochoidal-Fräseinheit wird automatisch eingewechselt

Hier setzt die jüngste Produktentwicklung von Weingärtner Maschinenbau an: die Trochoidal-Fräseinheit TMU 400. Konzipiert für die eigene Maschinenplattform mpmc, kann diese Fräseinheit wie jede andere Bearbeitungseinheit automatisch von einer maschinenintegrierten Pick-up-Station bei Bedarf eingewechselt werden. Einmal auf der Schnittstelle des Fahrständers angedockt, wird die Trochoidal-Fräseinheit zur Bearbeitung am Werkstück positioniert. Der massive Fahrständer des Fräs-Drehzentrums mpmc startet dann seine relativ langsame Vorwärtsbewegung, während die Frässpindel der TMU 400 in der Fräseinheit selbst eine hochdynamische zyklische Bewegung durchführt.

Fräseinheit ist entkoppelt von der Vorschubbewegung des Fahrständers

Entkoppelt von der Vorschubbewegung des Fahrständers kann so die Fräseinheit im Trochoidal-Fräsmodus die Tannenbaum-Nuten auf den Generatorwellen von Dampf- und Gasturbinen fräsen, ohne nennenswerten Verschleiß an Lagern und bewegten Teilen in der Einheit zu verursachen – werkzeugschonend und effizient. So macht Weingärtner es möglich, die Trochoidal-Frässtrategie auch für Werkstücke mit großen Abmessungen auf Fräs- und Drehzentren anzuwenden. Die Anschaffung oder das Upgrade auf eine neue CAD/CAM-Software entfällt bei den Fräs-Drehzentren von Weingärtner. Man hat einen universellen Makro-Zyklus entwickelt, mit dem die Achsansteuerung sehr einfach programmiert beziehungsweise parametrisiert werden kann, unabhängig vom Programmierplatz und nicht länger als zwei Programmzeilen in der Steuerung.

Bearbeitungszeit wurde um mehr als 50 % reduziert

Ein typischer Anwendungsfall für das Nutenfräsen auf Generatorwellen oder -rotoren ist zum Beispiel eine 30 mm breite, 65 mm tiefe und 120 mm lange Nut in hochlegiertem Stahl. Die Bearbeitungszeit dieser Nut mit der Trochoidal-Fräseinheit TMU 400 auf einer Multitaskmaschine mpmc ist prozesssicher unter 30 s möglich. Das entspricht einer Einsparung bei der Bearbeitungszeit von über 50 %. Auch bei den Standzeiten der Fräswerkzeuge werden die Erwartungen an das Trochoidalfräsen erfüllt. Hier kommen speziell für das Fräsen von Tannenbaum-Nuten ausgelegte Werkzeuge zum Einsatz. Das Resultat sind um den Faktor zehn höhere Standzeiten.

Weingärtner Maschinenbau ist derzeit der einzige Hersteller von Fräs-Drehmaschinen, der seinen Kunden die Bearbeitung von großdimensionierten Werkstücken mit Trochoidal-Frässtrategie anbieten kann. So können Generatorwellen und Rotoren von Dampf- und Gasturbinen in jeder gewünschten Dimension bis zu einem Maximalgewicht von 80 t effizient und präzise bearbeitet werden. Und das als „Complete Solution“ mit einem maßgeschneidertem Software- und Werkzeugengineering.

rk

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