Trochoidales Fräsen: Prinzipien, Parameter und optimale Anwendungsfälle

Das Bearbeitungsverfahren Trochoidales Fräsen wird eingesetzt, um einen hohen Materialabtrag und eine längere Werkzeugstandzeit zu erzielen. Diese Technik ermöglicht die Herstellung von Löchern und Schlitzen mit einem Durchmesser, der größer ist als der des Schneidwerkzeugs. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über dieses Fräsverfahren und finden die besten Werkzeuge für das Trochoidale Fräsen an verschiedenen Materialien und Maschinen.

Was ist Trochoidales Fräsen?

Es handelt sich um ein dynamisches CNC-Fräsverfahren, bei dem eine Reihe sich überlappender Kreisschnitte über einen spiralförmigen Werkzeugweg erzeugt werden. Diese Technik eignet sich am besten für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, große Materialabtragsvolumina und schwer zerspanbare Materialien. Das Grundprinzip dieser CNC-Fräsmaschine ist intermittierender Werkzeugkontakt, hohe axiale Schnitttiefe und geringe Schnittkräfte.

Trochoidales Fräsen vs. konventionelles Fräsen

Definition & Grundidee

Trochoid leitet sich vom griechischen Wort „trochos“ ab, was „Rad“ bedeutet. Es bezeichnet eine runde Form, die durch das Abrollen eines Kreises entlang einer Linie entsteht. Die Grundidee des Trochoidalfräsens besteht darin, durch hohe axiale und niedrige radiale Schnitttiefen den Werkzeugverschleiß und die Wärmeentwicklung bei maximalem Materialabtrag zu reduzieren.

Trochoidales Fräsen vs. konventionelles Fräsen

Beim Trochoidalfräsen wird für den Materialabtrag eine spiralförmige Werkzeugbahn verwendet, nicht eine gerade oder konventionelle. Das dynamische Fräsen sorgt für geringe Wärmeentwicklung und geringe Schnittkräfte. Die radiale Schnitttiefe bedeutet, dass der Eingriff des Fräsers in das Werkstück auf einen kleinen Bereich begrenzt ist, und die hohe axiale Schnitttiefe sorgt für einen hohen Materialabtrag. Die Trochoidalwelle reduziert den Werkzeugverschleiß und erhöht die Werkzeugstandzeit im Vergleich zum konventionellen Fräsen.

So funktioniert ein trochoidaler Werkzeugweg

Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Aufschlüsselung der Funktionsweise des trochoidalen Werkzeugpfads:

Programmierung von Trochoidalbahnen in CAM

Die CAM-Software definiert die Parameter der Trochoidalbahn wie Vorschubgeschwindigkeit, Werkzeugeintritts- und -austrittsbereich sowie Schnitttiefe. Diese Parameter werden je nach Materialauswahl, gewünschter Oberflächengüte und den Möglichkeiten der Werkzeugmaschine angepasst.

Kreisförmiger Eintritt und kontinuierliche Bogenbewegung

Der Werkzeugweg nutzt einen kreisförmigen Ein- und Auslauf, wodurch die Werkzeugbelastung, insbesondere bei scharfen Kanten, minimiert wird. Eine kontinuierliche Bogenbewegung wird beibehalten, und das Werkzeug schneidet kontinuierlich in das Werkstück. Die trochoidale Welle ermöglicht eine effiziente Spanabfuhr und verhindert Spanablagerungen.

Schneiden mit konstanter Spandicke

Dieses Fräsverfahren zielt auf eine gleichmäßige Spandicke im gesamten Schnitt und reduziert die Schnittkräfte. Dies wird durch die Steuerung der radialen Schnitttiefe und des Vorschubs erreicht. Der kleinere Eingriffswinkel beim Trochoidalfräsen sorgt für eine höhere Prozessstabilität.

Wärmeabfuhr und Spanabfuhr

Die spiralförmige und kontinuierliche Bewegung des Werkzeugwegs ermöglicht eine hohe Wärmeabfuhr aus dem Schneidbereich. Die geringe radiale Schnitttiefe und die gleiche Spandicke fördern eine bessere Spanbildung und -abfuhr und führen zu einem sauberen Schnitt.

Trochoidale Fräswerkzeugbahn

Vor- und Nachteile

Die Vor- und Nachteile des trochoidalen Fräsens werden im folgenden Abschnitt erörtert.

Was ist der Vorteil des Trochoidalfräsens?

Das trochoidale Fräsen bietet gegenüber herkömmlichen Fräsmethoden viele Vorteile:

• Es bietet eine hohe Materialabtragsrate durch schnellere Schnittkräfte und einen tieferen Schnitt als herkömmliches Fräsen
• Es bietet längere Zykluszeiten und höhere Produktivität
• Die Werkzeuglebensdauer ist länger, da weniger Hitze und Belastung auf Werkzeug und Spiralbahn entsteht.
• Dynamisches Fräsen ist kosteneffizient, da es weniger Ausfallzeiten für Werkzeugwechsel gibt
• Effiziente Spanabfuhr verhindert erneutes Spanschneiden und andere Probleme im Zusammenhang mit Spanbildung
• Bessere Oberflächengüte des Werkstücks durch intermittierenden Schneidvorgang und geringe Wärmeentwicklung.

Was ist der Nachteil des Trochoidalfräsens?

Mit dem trochoidalen Fräsen sind einige Nachteile verbunden.

• Zum Generieren komplexer Werkzeugpfade sind spezielle CAM-Software und Programmierkenntnisse erforderlich.
• Eingeschränkte Anwendbarkeit, da nicht alle CNC-Maschinen über eine Trochoidbewegung oder dynamisches Fräsen verfügen, was für diesen Vorgang unerlässlich ist.
• Eine konstante radiale Bewegung ist gut für die Werkzeuglebensdauer und den Materialabtrag, kann jedoch zu Verschleiß der Kugelumlaufspindeln und Gleitbahnen der CNC-Maschine führen.

Wenn trochoidales Fräsen keinen Sinn macht

Für bestimmte Anwendungen ist trochoidales Fräsen oder dynamisches Fräsen ungeeignet. Es ist nicht effektiv beim Planfräsen großer Flächen, bei weichen Materialien und in flachen Bereichen, da hier die Vorteile des geringen Werkzeugverschleißes und der hohen Abtragsleistung nicht voll ausgeschöpft werden. Konventionelles Fräsen ist hier besser geeignet.

Wichtige Parameter für das trochoidale Schneiden

Um die wichtigsten Trochoidal-Schneidparameter zu verstehen, wird Inconel 718 als Beispiel betrachtet.

Optimaler Querzustellungsabstand (ae)

Für Inconel 10 wird ein Schrittabstand (ae) von 718 % des Werkzeugdurchmessers empfohlen. Dadurch werden die Schnittkräfte kontrolliert und eine gute Oberflächengüte erzielt.

Vorschub pro Zahn und Drehzahlbereiche

Ein guter Ausgangspunkt für Inconel 718 ist ein Vorschub von 0.1 mm pro Zahn. Dieser wird entsprechend den spezifischen Werkzeug- und Maschinenfunktionen angepasst.

Ein normaler Drehzahlbereich für Inconel 718 liegt zwischen 1000 und 6000 U/min und kann je nach dem jeweiligen Werkzeug und dem zu bearbeitenden Material angepasst werden.

Tipps zum Eingriffswinkelrechner

Dies ist der Winkel, in dem die Schneide des Werkzeugs zu einem bestimmten Zeitpunkt in das Material eingreift. Er wird wie folgt berechnet:

Eingriffswinkel = (2 * Kontaktbogen) / (Werkzeugdurchmesser).

Die Distanz, die ein Werkzeug in einem einzelnen Zyklus entlang des Umfangs eines Teils zurücklegt, ist der Kontaktbogen.

Schnellformel für Nutbreite ≤½ × Werkzeug-Ø

Eine schnelle Formel zur Bestimmung eines geeigneten Werkzeugdurchmessers für Schlitzbreiten ≤ ½ × Werkzeug-Ø besteht in der Berechnung des maximalen Werkzeugdurchmessers basierend auf der Schlitzbreite und dem gewünschten Zustellungsabstand.

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Werkzeug- und Maschinenanforderungen

Die Werkzeug- und Maschinenanforderungen sind die Auswahl von Spezialwerkzeugen und Maschinen zum Fräsen, das einen kreisförmigen Werkzeugweg mit unterschiedlichen Radien verwendet

Empfohlene Schaftfräsergeometrien

Für optimale Fräsergebnisse empfiehlt sich der Einsatz von Vollhartmetall-Schaftfräsern mit Hochleistungsbeschichtung und mindestens fünf Schneiden sowie vibrationshemmenden Eigenschaften. Die Maschine muss über dynamische Bewegungsfunktionen und spezielle CAM-Software verfügen.

Werkzeughalter und Vibrationskontrolle

Die Schwingungsdämpfung ist entscheidend für eine gute Oberflächengüte, Werkzeugstandzeiten und eine höhere Prozessstabilität beim Trochoidalfräsen. Werkzeughalter mit hydraulischen Spannfuttern und Schrumpfsystemen sind eine beliebte Wahl. Diese reduzieren Vibrationen und verbessern die Schnittparameter in Kombination mit schwingungsgedämpften Werkzeughaltern.

Maschinen-Must-Haves:

Bei Trochoidalfräsmaschinen sind „High-Speed ​​Look-Ahead“ und „HP Coolant“ wichtige Elemente. High-Speed ​​Look-Ahead hilft, den nächsten Schnitt der Maschine vorherzusagen und optimiert Effizienz und Werkzeugstandzeit. Hochdruck-Kühlmittel (HP) bieten optimale Werkzeugsicherheit, effektive Wärmeableitung und Spanabfuhr.

Beste Anwendungsszenarien

Trochoidales Fräsen hat viele Anwendungen. Einige der besten sind unten aufgeführt

Tiefe Schlitze und Taschen in Stahl und Inconel

Es eignet sich für die Bearbeitung tiefer Nuten und Taschen, da es eine geringe radiale Schnitttiefe bei gleichzeitig hoher axialer Schnitttiefe ermöglicht. Dies reduziert den Werkzeugverschleiß und maximiert die Standzeit bei der Bearbeitung zäher Werkstoffe wie Inconel oder Titan. Es bietet zudem schnellere Abtragsraten und ist in bestimmten Anwendungen eine effiziente Alternative zum Einsatz von Wendeschneidplattenfräsern.

Mikrobearbeitung dünner Wände

Es eignet sich für die Mikrobearbeitung dünner Wände mit Werkzeugen mit kleinerem Durchmesser. Kleinere Werkzeuge sind empfindlich, und das trochoidale Fräsen mit geringer Wärmeentwicklung trägt dazu bei, das Risiko eines Werkzeugbruchs zu verringern.

Schruppen von harten oder wärmebehandelten Materialien

Es handelt sich um eine leistungsstarke Maschine für Schruppbearbeitungen, insbesondere für harte oder wärmebehandelte Werkstoffe. Dank der Möglichkeit, niedrige Eingriffswinkel einzuhalten und minimalem Werkzeugverschleiß eignet sie sich hervorragend für Werkstoffe, die konventionell schwer zu bearbeiten sind.

Trochoidales Drehen für Drehmaschinennuten

Trochoidales Drehen ist eine Variante des Trochoidalen Fräsens und wird zum Nutenfräsen auf Drehmaschinen eingesetzt. Es bietet Vorteile durch geringe Schnittkräfte und die Möglichkeit, schwer zerspanbare Materialien zu bearbeiten. Es wird zum Längs- und Plandrehen sowie zum radialen und axialen Nutenfräsen eingesetzt.

Fehlerbehebung und schnelle Lösungen

Beim Trochoidalfräsen treten manchmal Probleme wie hoher Werkzeugverschleiß, schlechte Spanabfuhr und Vibrationsspuren auf. Die folgenden Lösungen sind schnell gefunden:

Übermäßiger Werkzeugverschleiß

Durch die Verringerung des Eingriffswinkels werden die auf das Werkzeug wirkenden Kräfte reduziert und somit der Verschleiß verringert. Die Anpassung der Schnittgeschwindigkeit und der Werkzeugbeschichtung erhöht ebenfalls die Verschleißfestigkeit des Werkzeugs. Eine zu hohe oder zu niedrige Schnittgeschwindigkeit erhöht den Werkzeugverschleiß.

Schlechte Spanabfuhr

Durch den Einsatz von Druckluft oder Sprühnebel können Späne abtransportiert, die Reibung minimiert und ein Verstopfen der Späne verhindert werden. Verwenden Sie Werkzeuge mit Spanbrechern oder hohen Drallwinkeln, die für eine bessere Spanabfuhr in tiefen Taschen oder Nuten sorgen.

Vibrationsspuren

Werkzeuge mit variabler Dralllänge verringern die Vibration durch gleichmäßige Verteilung der Schnittkräfte, und auch eine langsamere Vorschubgeschwindigkeit verringert die Vibration.

Fazit

Trochoidales Fräsen ist ein CNC-Bearbeitungsverfahren, das einen spiralförmigen Werkzeugweg zum Materialabtrag in einer Reihe sich überlappender Kreisschnitte nutzt. Es eignet sich gut für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung, tiefe Nuten und harte Werkstoffe. Die Verwendung einer geringen radialen Schnitttiefe (RDOC) und einer hohen axialen Schnitttiefe (ADOC) kann die Schnittkräfte und die Wärmeentwicklung reduzieren und die Standzeit von Trochoidalfräsmaschinen verbessern. Es wird für schwer zerspanbare Werkstoffe, dreidimensionale gekrümmte Hohlräume, Nichteisenmetalle, tiefe Nuten und vibrationsempfindliche Anwendungen eingesetzt.

FAQs

Wann sollte trochoidales Fräsen eingesetzt werden?

Trochoidales Fräsen eignet sich am besten für die Bearbeitung zäher Materialien, tiefer Schlitze oder komplexer Freiformflächen.

Funktioniert trochoidales Fräsen bei Aluminium?

Ja, es funktioniert effektiv auf Aluminium und bei Schruppvorgängen, bei denen eine hohe Metallabtragsrate erforderlich ist

Kann ich ältere CNCs für trochoidale Bahnen nachrüsten?

Ja, Sie können ältere CNC-Maschinen für trochoidale Bahnen nachrüsten. Dadurch erhalten die Maschinen erweiterte Funktionen, wie beispielsweise eine spiralförmige Werkzeugbahn für Schruppbearbeitungen.