Die Automatisierung beschert dem Trochoidalem Fräsen ein Revival

Das Zerspanungsverfahren „Trochoidal Performance Cutting“, kurz TPC, ist nicht neu, erfreut sich aber steigender Beliebtheit. Der Grund für das Revival: Die außerordentliche Prozesssicherheit. Diese ist in automatisierten Umgebungen unabdingbar – und Automatisierung liegt gerade voll im Trend. Denn weil die Rekrutierung von Fachkräften immer schwieriger wird, ist es sinnvoll die verbleibenden Mitarbeiter von einfachen Routineaufgaben zu entlasten und mit höherwertigen Aufgaben zu betrauen. Speziell die automatisierte Beschickung von Werkzeugmaschinen per Beladesystem ist gefragter denn je. Doch was genau macht TPC-Fräsen so prozesssicher?

Elliptisch zur präzisen Fräsbahn

Beim TPC-Fräsen bewegt sich das Werkzeug in kleinen elliptischen Kreisen entlang einer Randlinie. Eine CAD/CAM-Software berechnet die Fräsbahn ständig neu. Dabei entstehen geringere Schnittkräfte als bei herkömmlichen Fräsverfahren. Das Werkzeug wird gleichmäßiger auf der ganzen Schneide beansprucht und erzielt entsprechend längere Standzeiten. Selbst komplexe Formen lassen sich mit hoher Schnittgeschwindigkeit bei voller Schnitttiefe fräsen.

Mehr Erfolg mit TPC-Werkzeugen

Grundsätzlich ist trochoidales Fräsen mit fast allen Werkzeugen, also auch mit einem klassischen HPC-Schaftfräser, möglich. Wirtschaftlich ist das allerdings in den seltensten Fällen. Die Gründe: Erstens ist das Substrat eines gewöhnlichen Fräsers für hohen Verschleiß optimiert, das heißt, es ist hart, aber weniger zäh. Zweitens hat das Werkzeug aufgrund der erforderlichen Zustellung weniger Zähne und größere Spanräume. Durch die nötigen Spanräume reduziert sich auch die Stabilität der HPC-Werkzeuge. Das heißt: Wenn man klassische Schaftfräser zum TPC-Fräsen einsetzt, muss man mit reduzierter Produktivität gegenüber optimierten TPC-Schaftfräser rechnen.

Um die Vorteile von TPC voll zu nutzen, gibt es deshalb speziell dafür konstruierte Werkzeuge. Diese sind für eine geringere seitliche Zustellung und reduzierte Biegebruchgefahr ausgelegt. Ihr Substrat ist sehr zäh und ist deshalb auch bei langen Auskragungen prozesssicher. Außerdem benötigen TPC-Fräser geringere Spanräume und können dadurch mit mehr Zähnen ausgeführt werden. Sie sind zudem länger (bis zu 5xD) und können dadurch größere Schnitttiefen bewerkstelligen. Für komplexe Fräsprozesse mit massivem Spanaufkommen gibt es außerdem TPC-Werkzeuge mit einer erhöhten Anzahl an Spanteilern.

Ein Beispiel dafür ist der Garant-Master-Inox-TPC-Fräser. Aus optimiertem Vollhartmetall-Substrat gefertigt, zeigt er sich selbst bei der Bearbeitung von rostfreien Stählen und Duplex höchst produktiv. Ein verstärkter Kerndurchmesser gibt ihm die für den TPC-Einsatz notwendige Stabilität. Die Schneiden-Geometrie besteht aus sechs Zähnen, gezielt präparierten Schneidkanten und einer erhöhten Zahl an Spanbrechern, die die besonders kurzen Späne in den Spanräumen sicher einrollen und abführen – was die Prozesssicherheit erhöht.

Stabil gespannt im Dauereinsatz

Um das TPC-Verfahren anzuwenden, ist der Einsatz einer leistungsfähigen CAD/CAM-Software und einer modernen Maschinensteuerung unabdingbar. Denn die Software muss die optimale Fräsbahn ständig neu berechnen, entlang derer das Werkzeug die Konturen fräst. Die zweite Voraussetzung, die immer aber vor allem in automatisierten Umgebungen erfüllt sein muss, ist eine besonders stabile Werkzeugspannung. Die Werkzeugaufnahme sollte mit einer Auszugssicherung versehen sein, damit die Axialkräfte das Werkzeug nicht herausziehen können. Der sogenannte Korkenzieher-Effekt, der bei steigender Zustellung durch die Zunahme an Kontaktpunkten zwischen Werkzeug und Bauteil auftreten kann, wird auf diesem Weg zwar nicht unterbunden, aber entgegenwirken. Ist das Werkzeug für den Dauereinsatz richtig gespannt, kann es prozesssicher lange Schruppoperationen effektiv bewältigen.

Die Trochoidalfrässtrategie spielt nun ihre Vorteile in Verbindung mit einem TPC-Werkzeug voll aus: hohe Prozesssicherheit bei gleichzeitig verkürzter Produktionszeit. Oftmals ist damit einhergehend ein geringerer Ausschuss und eine Senkung der Stückkosten zu beobachten. Ein Werkzeugtest macht die Vorteile des TPC-Verfahrens deutlich: Im Werkzeugtest wurden tiefe Kavitäten in das schwer zerspanbare Material 1.4571 gefräst. Die Nuten waren zehn Millimeter breit und 40 Millimeter tief.

Vier Mal produktiver

Im ersten Durchlauf wurde ein klassischer HPC-Schaftfräser mit einem Durchmesser von acht Millimeter und einer Schneidenlänge von 21 Millimeter verwendet. Folgende Maschineneinstellungen wurden vorgenommen: Vc = 100 m/min (3.900 U/min), fz = 0,03, ae = 1xD und ap = 1xD, was vier Zustellungen ergabt. Im Ergebnis konnten 30 Nuten gefertigt werden, wobei die Prozesssicherheit verhältnismäßig gering war.

Der gleiche Werkstoff wurde im zweiten Durchlauf mit einem TPC-Fräser mit acht Millimeter Durchmesser, 5xD Länge und der trochoidalen Frässtrategie bearbeitet. Folgende Einstellungen wurden vorgenommen: Vc = 200 m/min (8.000 U/min), hmax = 0,2, fz = 0,739, ae = 0,15 Millimeter und ap = 39,5, wobei 0,5 Millimeter Aufmaß am Boden zum Schlichten zugegeben werden. Im Ergebnis wurden 120 Nuten mit hoher Prozesssicherheit gefräst.

Der Werkzeugtest veranschaulicht, dass die Trochoidale Frässtrategie im Zusammenspiel mit einem perfekt auf das zu bearbeitende Material abgestimmten TPC-Werkzeug zu einer vierfach höheren Produktivität führen kann.

Schnittfreudig in harten Werkstoffen

Die erhöhte Produktivität der Trochoidalen Strategie kommt zustande, weil die maximale Spanungsdicke (hmax) eingefroren und der Umschlingungs­winkel limitiert werden, was das Fräsen mit der gesamten Werkzeuglänge erlaubt. Das ist wichtig, weil bei Bauteilen mit Innenkonturen oder engen Konturen der Umschlingungswinkel sonst binnen kürzester Zeit von 5 oder 10° auf 115° und mehr ansteigen könnte.

Der geringere Kraftaufwand, der beim TPC-Fräsen nötig ist, macht die Bearbeitung dünnwandiger und labiler Werkstücke sicherer – ein Plus für Bauteil und Werkzeug. Zusätzlich ist der Hitzeeintrag während des gesamten Bearbeitungsprozess geringer als bei herkömmlichen Fräsverfahren, was sich positiv auf die nachgelagerten Arbeitsschritte auswirkt.

Trochoidales Fräsen wird deshalb vor allem dort eingesetzt, wo sehr harte Werkstoffe bearbeitet werden müssen, wie im Werkzeug- und Formenbau, im Stahlbau, aber auch in der Lohnfertigung oder im Maschinenbau. Doch auch in automatisierten Umgebungen halten sie aufgrund ihrer herausragenden Prozesssicherheit zunehmend Einzug.

Der neue Garant-Master-Inox-VHM-Schaftfräser TPC hat sich beispielsweise bei internen Tests als extrem prozesssicherer Dauerläufer in rostfreien Stählen und Duplex erwiesen.

Fazit

Sehr harte Werkstoffe lassen sich mit der trochoidialen Frässtrategie und einem passenden TPC-Werkzeug besonders effizient bearbeiten. Eine Produktivitätssteigerung um das Vierfache ist möglich.

Mit seiner enormen Prozesssicherheit und den langen Standzeiten der Werkzeuge eröffnet das TPC-Verfahren insbesondere die Möglichkeit, eine Mehr-Maschinen-Bedienung mit der gleichen Anzahl an Facharbeitern zu erreichen. TPC ist somit auch ein Top-Kandidat für den Einsatz in automatisierten Umgebungen, denn dort sind diese Eigenschaften besonders gefragt. Angesichts des fortschreitenden Fachkräftemangels, der die Unternehmen zur Automatisierung von Routineaufgaben zwingt, dürfte das TPC-Verfahren in naher Zukunft ein echtes Revival erleben.