Heidenhain OCM: Wirbelfräsen der nächsten Generation

Insel und Taschen mit beliebigen Konturen: Die neue Option OCM der Heidenhain TNC-Steuerungen verringert bei diesem Demowerkstück Bearbeitungszeit und Werkzeugverschleiß um den Faktor 3.

Ab Losgröße 1 prozesssicher, hochdynamisch und werkstattorientiert fräsen – das ist für viele zerspanende Betriebe die Formel für den wirtschaftlichen Erfolg. Deshalb hat sich z. B. das Wirbelfräsen oder Trochoidalfräsen als beliebte Bearbeitungsstrategie etabliert. Allerdings sind die dabei erzeugten Bahnen nur für Nuten optimal, die Anwendungsmöglichkeiten also eher eingeschränkt.

Mit OCM, dem Optimized Contour Milling, bietet Heidenhain eine neue Funktion für die Steuerungen TNC 640, TNC 620 und TNC 320 an, deren Algorithmus die Idee des Wirbelfräsens für ein deutlich erweitertes Anwendungsspektrum nutzbar macht. So berechnet OCM die optimalen Fräsbahnen für beliebig geformte offene und geschlossene Taschen sowie Inseln. Außerdem bietet OCM auch Zyklen zum Schlichten von Boden und Seitenwänden. Der Anwender muss lediglich die Konturen programmieren.

Wie das Wirbelfräsen nutzt auch OCM von Heidenhain die volle Schneidenlänge des eingesetzten Fräsers für ein maximales Spanvolumen.

Fräsen mit kompletter Schneidenlänge

Wie das Wirbelfräsen begrenzt OCM den Umschlingungswinkel und erlaubt das Fräsen mit der gesamten Schneidenlänge. Mit OCM programmiert der Anwender beliebige Konturen wie gewohnt werkstattorientiert direkt an der TNC-Steuerung. Die Steuerung berechnet automatisch die bestmöglichen Werkzeugwege, mit denen die Schnittbedingungen konstant eingehalten werden. Die Bearbeitung läuft also immer mit den optimalen Schnittwerten. Dadurch steigt nicht nur die Bearbeitungsgeschwindigkeit. Auch der Werkzeugverschleiß wird reduziert.

Alle Aufrufe der OCM-Zyklen referenzieren immer auf die ursprüngliche Konturdefinition. Bereits ausgeführte Bearbeitungsschritte werden automatisch berücksichtigt. So kann der TNC-Anwender sein Werkstück z. B. zunächst mit einem großen Fräserdurchmesser für maximale Fortschritte bearbeiten, um in einem zweiten Schritt mit einem kleineren Fräser die Details herauszuarbeiten. Für diesen zweiten Bearbeitungsschritt kennt OCM die Fortschritte aus der ersten Bearbeitung und fräst nur noch die stehen gebliebenen Bereiche aus, die der größere Fräser nicht erreichen konnte. Genauso verhält sich OCM auch beim Schlichten. Die Schlichtzyklen für Boden und Seitenwände berücksichtigen ebenfalls die vorausgegangenen Schruppbearbeitungen und fräsen mit entsprechend optimierten Bahnen entlang der nun tatsächlich vorhandenen Konturen.

Sichtbarer Verschleiß: Der Fräser der konventionellen Vergleichsbearbeitung (rechts) zeigt schon nach zwei Werkstücken Ausbrüche an den Schneidecken. Links die nach sechs Werkstücken immer noch intakte Schneide des Fräsers, der mit OCM zum Einsatz kam.

Beeindruckende Ergebnisse im Fräsvergleich

Wie leistungsfähig die neue Frässtrategie ist, zeigt ein Demobauteil mit verschiedenen Taschen und Inseln aus nichtrostendem Stahl 1.4104. Das Rohteil hatte die Maße 250 x 150 x 30 mm. Daraus wurde eine Insel mit wiederum vier verschieden geformten, innenliegenden Taschen herausgefräst. Die Frästiefe betrug überall 22 mm. Als Werkzeug kam ein Hartmetall-Schaftfräser mit Durchmesser 10 mm und einer Schneidenlänge von 22 mm zum Einsatz.

Dank der optimalen Werkzeugbahnen konnte mit OCM die Zustellung von 5,5 mm auf die volle Taschentiefe von 22 mm erhöht werden. Außerdem stiegen die Schnittgeschwindigkeit von 157 m/min auf 251 m/min und der Vorschub pro Zahn von 0,06 mm auf 0,15 mm. OCM verringerte die Gesamtbearbeitungszeit um den Faktor 3 gegenüber herkömmlichen Frässtrategien von 21:35 Minuten auf 6:59 Minuten.

Der Fräser, der für die Bearbeitung mit OCM genutzt wurde, wies zudem nach sechs Werkstücken kaum Verschleiß auf und hätte noch für weitere Bearbeitungen genutzt werden können. Der bei der konventionellen Bearbeitung eingesetzte Fräser zeigte dagegen schon nach nur zwei Werkstücken deutliche Ausbrüche an den Schneidecken auf.

Mehr Späne in kürzerer Zeit

OCM gehört zum Funktionenpaket Dynamic Efficiency für die Heidenhain TNC-Steuerungen. Im Fokus von Dynamic Efficiency stehen alle Prozesse mit hohen Schnittkräften und hohem Zeitspanvolumen, also Schruppbearbeitung, Schwerzerspanung und die Bearbeitung schwer zerspanbarer Materialien. Die hierbei auftretenden Kräfte belasten Maschine und Werkzeug extrem. Das äußert sich häufig durch prozessbedingte Vibrationen während der Bearbeitung.

Die Dynamic Efficiency-Funktionen zielen daher auf eine bessere Prozessbeherrschung bei der Schwerzerspanung für mehr Prozesssicherheit und höhere Produktivität ab. Sie erhöhen das Zeitspanvolumen, verlängern gleichzeitig die Werkzeugstandzeiten und reduzieren die mechanische Belastung auf Werkzeug sowie Maschine. Damit wird der gesamte Schwerzerspanungsprozess sicherer, wirtschaftlicher und effizienter. Neben OCM umfasst das Funktionenpaket Dynamic Efficiency drei weitere Optionen.

Die grafische Simulation der Heidenhain TNC-Steuerungen zeigt anschaulich die berechneten Bahnen für einen optimalen Fräsprozess an.

Active Chatter Control

Die aktive Ratterunterdrückung ACC wirkt störenden Ratterschwingungen aktiv entgegen. Die Funktion erkennt Rattern anhand vorhandener Messsignale und entzieht den entstehenden Schwingungen über die Steuerung der maschineneigenen Vorschubantriebe die Energie. Ergebnis ist eine reduzierte Ratterneigung der Maschine und damit höhere Schnittleistungen, Werkzeugstandzeit und Lebensdauer von Maschinenkomponenten.

Wirbelfräsen in Kombination mit AFC (unten) erledigt in einem Bearbeitungsschritt, wozu bei konventioneller Frässtrategie Vollschnitte in vier Zustelltiefen plus ein Teilschnitt notwendig sind (oben).

Adaptive Feed Control

Die adaptive Vorschubregelung AFC verkürzt die Bearbeitungszeit, indem die Steuerung in Bearbeitungszonen mit weniger Materialabtrag automatisch den Vorschub erhöht. So sorgt AFC bei schwankenden Schnitttiefen oder Härteschwankungen des Materials immer für den bestmöglichen Vorschub. Außerdem verbessert AFC die Prozesssicherheit, da die adaptive Vorschubregelung auch eine zu hohe Spindellast kennt. Wenn durch zunehmenden Werkzeugverschleiß die maximale Spindelleistung erreicht wird, kann AFC durch einen Maschinenstopp Schäden an Werkzeug und Bauteil vermeiden oder einen automatischen Werkzeugwechsel auslösen. Das schont die Maschinenmechanik und schützt die Hauptspindel wirksam vor Überlastung.

Wirbelfräsen

Das Wirbelfräsen überlagert beim Fräsen beliebiger Konturnuten als einfach programmierbarer Zyklus eine kreisförmige Werkzeugbewegung mit einer linearen Vorschubbewegung. Durch das kreisförmige Eintauchen ins Material wirken geringe radiale Kräfte auf das Werkzeug. Dies schont nicht nur das Werkzeug, sondern wiederum die Maschinenmechanik und verhindert das Auftreten von Schwingungen. Die Bearbeitung kann mit großer Schnitttiefe über die gesamte Schneidenlänge des Schaftfräsers mit hoher Schnittgeschwindigkeit und hohem Spanvolumen pro Zahn erfolgen.

Bis 25 Prozent mehr Zeitspanvolumen

Zu einem regelrechten Effizienzschub führt die Kombination der Dynamic Efficiency-Funktionen Wirbelfräsen und AFC. Da das Werkzeug beim Wirbelfräsen auf einer Kreisbahn geführt wird, findet auf einem Teil dieser Bahn kein Eingriff ins Material statt. In dieser Situation bewegt AFC das Werkzeug mit einem höheren Vorschub. Während des Bearbeitungsvorgangs mit diesen kombinierten Steuerungsfunktionen summiert sich so ein enormer Zeitgewinn auf. 20 bis 25 Prozent mehr Zeitspanvolumen sind möglich – ein deutlicher Gewinn für die Wirtschaftlichkeit.