Fachartikel MM 41/2013

 Werkzeughalter mit Turbine verbessert Spanabfuhr und Kühlung

 

Fachbericht zum Aerotech in der NE- Metallbearbeitung - Maschinenmarkt MM

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Werkzeughalter mit Turbine verbessert Spanabfuhr und Kühlung

Ein Werkzeughalter erzeugt mithilfe einer Turbine einen Luftstrom mit 80 m/s direkt über dem Fräser. Dadurch werden die Spanabfuhr und die Werkzeugkühlung deutlich verbessert. Spannsystem und Turbinenkörper bilden dabei ein Stück und als Kühlmedium fungiert Umgebungsluft.
Mechanische Baugruppen und Linearachsen stellt die Reiser AG seit 25 Jahren für namhafte deutsche Maschinenbauer her. Dabei steigen die Anforderungen unter einem enormen Kostendruck ständig. In der nachfolgenden Anwendung, einer Grundplatte für eine Baugruppe mit motorisch verstellbaren Linearachsen, konnte das Unternehmen ohne wesentliche Kostenerhöhung die Oberflächengüte für einen Kunden erhöhen. Die Forderung bestand darin bei nahezu gleichen Fertigungskosten eine erheblich bessere Oberfläche herzustellen (besser Rz = 4). Ziel war ein höherer funktioneller Dichtheitsgrad. Ein positiver Nebeneffekt ist, dass unerwünschte Anhaftungen und Ablagerungen an der Oberfläche verhindert werden. Die bessere Oberflächengüte führt zu einer verbesserten Abdichtung, wobei ein zusätzlicher Schleifprozess vermieden wird (Bild 2). Das Problem wurde mithilfe von fest bestückten PKD-Werkzeugen und der Trockenzerspanung gelöst. Dabei kam erstmals eine Technik zum Einsatz, die sich im Bereich der Leichtbaustoffe schon etabliert hat und 2013 mit dem JEC Composite Award für Werkzeuge ausgezeichnet wurde: das Cruing Aerotech System (Bild 3). Luftstrom mit 80 m/s wird direkt über dem Fräser erzeugt Dieses Werkzeugsystem erlaubt es, luftgekühlt, trocken und spänegeführt zu fräsen (Bild 1). Ein einfacher physikalischer Zusammenhang erklärt die Wirksamkeit dieses Systems: V ist proportional zu p2 . Würde man die Luftgeschwindigkeit, die der Werkzeughalter mit Turbine erzeugt, in einem Sauggebläse neben der Maschine erzeugen und zur Maschine leiten, wäre dies durch die
Druckverluste und damit die Energieverluste unwirtschaftlich. Alternativen mit Druckluft führen zu höheren Betriebskosten und sind nicht spänegeführt. Das Cruing Aerotech System ist ein Werkzeughalter, der einen Luftstrom mit 80 m/s direkt über dem Fräser erzeugt. Die Späne werden von der Turbine erfasst und durch die Flügel der Turbine vom Werkstück weggeleitet. Der Unterdruck wird genau dort erzeugt, wo er benötigt wird – das bedeuted: kein Saugkraftverlust. Durch den entstehenden Unterdruck werden die Späne abgesaugt und eine enorme Kühlleistung erzielt (70 bis 80 °C kühlere Werkzeuge). Zum Vergleich: In Absaugungen herrschen in der Regel Luftgeschwindigkeiten zwischen 20 und 30 m/s, damit ist ein Erfassen der Späne oft nur bedingt möglich. Mit dem Aerotech System werden die PKD-Schneiden gekühlt und die Mehrfachzerspanung wird wirksam verhindert. Umgebungsluft fungiert als Kühlmedium und spart teure Druckluft Das Interessante an der Kühlung ist, dass die Umgebungsluft als Kühlmedium fungiert und keine teure Druckluft eingesetzt werden muss. Die Wuchtgüte des Werkzeughalters beträgt G 2,5 bei 24.000 min-1. Der Werkzeughalter und die Turbine sind monolithisch, das heißt aus einem Stück, und erfüllen dadurch hohe Sicherheitsanforderungen. Der verwendete Aerotech mit HSK63A wurde am Institut für Werkzeugmaschinen auf 60.000 min-1 stressgetestet. Die sichtbare Absaugleistung der Turbine mit 95 mm Außendurchmesser beginnt bei etwa 12.000 min-1. Die eingesetzten Werkzeuge wurden so ausgelegt, dass der Luftstrom die PKDSchneiden optimal umströmen kann. Der Erfassungsgrad der Späne nach dem Zerspanen beträgt bis zu 98 %. Bei der Anwendung des Werkzeugsystems bei verschiedenen Materialien müssen Parameter wie Dichte des Werkstoffes, Werkzeugdrehzahlen und geforderte Vorschübe berücksichtigt werden. Diese Parameter haben Einfluss auf Durchmesser, Flügelanzahl und Spannsystem. Je höher die geforderten Vorschübe, desto größer muss der Turbinendurchmesser sein. Der kleinste gebaute Aerotech hatte einen Außendurchmesser von 30 mm, der bisher größte einen Außendurchmesser von 105 mm (Bild 4). Die sicherheitstechnische Voraussetzung war dabei immer, dass Spannsystem und Turbinenkörper ein Stück sind, um beste Wuchtgüten zu erreichen. Ist die Auswahl der richtigen Werkzeugaufnahme erfolgt, gibt es oft erstaunliche Ergebnisse. Da kein Spänestrahl mehr auftritt, können zum Teil einfachste Absaugungen einen hohen Entsorgungsgrad erreichen. Das ist vor allem für ältere Maschinen interessant, die keine aufwendigen Absaugungen haben oder wo diese nachgerüstet wurden. Für den Einsatz der Turbine sind keine Umbauten notwendig, lediglich ein weiterer Freiplatz im Werkzeugwechsler. Als Spannsysteme sind Zug-Spannzangenfutter, Hydrodehnspannfutter oder Fräser mit Steilkegel für HSC-Anwendungen verfügbar. Verfahrensanpassungen finden auf CNC-Maschinen statt Die neusten Verfahrensanpassungen finden mittlerweile schon auf den CNC-Maschinen verschiedener Hersteller statt. So wird die Druckluft in der Spindel dafür genutzt, um die Werkzeugaufnahme gelegentlich automatisch auszublasen. Das erhöht die mögliche Materialvielfalt enorm. Die Anwendungsfelder sind sehr unterschiedlich: Überall dort wo Trockenfräsen ein Muss ist, kann der Einsatz eines Aerotech einen erheblichen wirtschaflichen und umweltschonenden Vorteil bringen. Natürlich gibt es bei sehr langen Werkzeugen bei der Erfassung der Späne Grenzen, aber je geringer die Dichte des Materials, desto länger können die Werkzeuge sein und die Späne werden noch erfasst. Weitere Anwendungsfelder sind:
▶ Graphitelektroden, bei denen die Turbine durch die Trockenkühlung der Werkzeuge die oft angewandte Z-Achsen-Kompensation überflüssig macht;
▶ Schäume, die ohne Verkleben und ohne Erhitzen des Werkzeuges gefräst werden müssen;
▶ Leichtbaustoffe, die Temperaturen von 50 °C trotz Trockenfräsen nicht überschreiten dürfen;
▶ PKD-Anwendungen, bei denen eine Mehrfachzerspanung sicher ausgeschlossen werden muss. Einen angenehmen Nebeneffekt hat der Aerotech beim Verwenden von Hartmetallwerkzeugen: Ein HM-Fräser dankt die Kühlung mit einer höheren Standzeit.