Grundlagen der Dünnwandbearbeitung
Die Dünnwandbearbeitung ist ein CNC-Bearbeitungsprozess, der sich auf die Erstellung präziser Schnitte und Formen in Materialien mit einer Dicke von typischerweise weniger als 2 mm konzentriert. Sein Hauptziel ist die Herstellung komplizierter Komponenten mit filigranen, dünnen Merkmalen, die höchste Genauigkeit erfordern.
Die Anwendung der CNC-Bearbeitung dünner Wände auf verschiedene Materialien stellt unterschiedliche Herausforderungen dar. Zu den gängigen Metallen gehören Titan, Aluminium und Edelstahl. Diese Materialien sind stark und langlebig und müssen sorgfältig behandelt werden, um Verformungen zu vermeiden. Polymere wie ABS und Polycarbonat sind aufgrund ihrer Flexibilität und ihres geringen Gewichts ebenfalls weit verbreitete Materialien, obwohl eine schlechte Bearbeitung zu Verformungen führen kann. Aufgrund ihres außergewöhnlichen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses erfreuen sich Verbundwerkstoffe – wie kohlenstofffaserverstärkte Polymere – immer größerer Beliebtheit. Um jedoch Delaminierung oder Faserauszug zu vermeiden, erfordern diese Materialien präzise Bearbeitungsparameter. Um präzise und qualitativ hochwertige dünnwandige Komponenten zu gewährleisten, ist es notwendig, die Eigenschaften jedes Materials vollständig zu verstehen, um Vorschübe, Schnittgeschwindigkeiten und Werkzeugwege zu optimieren.
Anwendungen der Dünnwandbearbeitung
Die Dünnwandbearbeitung ist in vielen Branchen von Bedeutung, besonders wichtig ist sie jedoch in der Luftfahrtindustrie, wo sie zur Herstellung komplexer Gehäuse und leichter Strukturteile benötigt wird.
Diese Methode ist für die Luft- und Raumfahrtindustrie für die Herstellung von Teilen wie Blisks, Naben, Rippen, Rahmen, Hautplatten, Stringern, Schotten und Turbinenschaufeln von entscheidender Bedeutung. Der Zweck dieser Teile besteht darin, den erforderlichen mechanischen Montageaufwand zu reduzieren, sodass keine Schrauben oder Nieten erforderlich sind und das Bauteil durchgehend einheitlich ist.
Über die Luft- und Raumfahrt hinaus findet die Dünnwandbearbeitung auch in anderen Branchen Anwendung, beispielsweise in der Automobilindustrie, wo hochfeste und leichte Komponenten immer wichtiger werden. Die Herstellung fortschrittlicher und präziser chirurgischer Geräte und Implantate kommt auch der medizinischen Industrie zugute. Die Dünnwandbearbeitung wird auch in der Elektronikindustrie eingesetzt, um langlebige, leichte Gehäuse für eine Reihe von Geräten herzustellen.
Herausforderungen bei der Dünnwandbearbeitung
Bei der CNC-Bearbeitung dünner Wände gibt es viele Herausforderungen, vor allem Vibrationen, die durch die geringe Steifigkeit der Wände entstehen. Man kann zwischen zwei Arten von Vibrationen unterscheiden: gewaltsame und selbstinduzierte (Rattern).
Wenn die natürliche Frequenzreaktion (FRF) des Systems während des Fräsvorgangs angeregt wird, kommt es zu Rattern. Diese Instabilität ist normalerweise auf Vibrationen im Werkzeug zurückzuführen, aber es ist wichtiger, die FRF des Teils zu berücksichtigen, die sich aufgrund geometrischer Unterschiede ständig ändert. Ein instabiler Bearbeitungsprozess entsteht, wenn sich die FRF zusammen mit der Form des Teils ändert. Der Vorgang kann aufgrund dieser zyklischen Tendenz instabil werden und Narben auf dem Bauteil hinterlassen, die die Gesamtoberflächenqualität mindern.
Umgekehrt kommt es zu erzwungenen Vibrationen, wenn die Steifigkeit des Teils nicht ausreicht, um die Spandicke konstant zu halten. Unter den Schnittkräften verformen sich sowohl das Werkzeug als auch das Werkstück, wodurch Schwingungen entstehen, die mit der gleichen Frequenz wie die Spindeldrehzahl oder deren Vielfaches auftreten. Durch die Veränderung der Kontaktdynamik zwischen Werkzeug und Werkstück verändert diese Auslenkung die Spanbreite und beeinflusst die Schnittkräfte. Diese Instabilitäten führen häufig zu Oberflächenfehlern, die das Endprodukt rauer machen.
Eine weitere große Herausforderung im Zusammenhang mit der geringen Steifigkeit dünner Wände sind die Maßfehler, die durch die Verformung des Teils entstehen. Im Gegensatz zu steifen Abschnitten unterliegen dünne Wände aufgrund des Schnittdrucks einer erheblichen statischen Verformung. Die Schnittparameter, die die Schnittkräfte und damit die Verformung des Systems bestimmen, und der gewählte Bearbeitungsansatz (Aufwärts- oder Abwärtsfräsen) wirken sich auf diese Verformung aus. Obwohl die Verformung normalerweise nicht vollständig eliminiert wird, trägt Hochgeschwindigkeitsfräsen dazu bei, Restspannungen und Schnittkräfte zu verringern. Da die Geometrie des Teils in Echtzeit variiert, wird dieses Problem insbesondere durch Spiegelfräsen noch verschärft.
Darüber hinaus steigt mit zunehmender Größe und Form der bei der Dünnwandbearbeitung verwendeten Teile auch die Komplexität. Bei Verfahren mit doppelter Krümmung kommt es häufig zu einer Fehlausrichtung der Häute gegenüber dem Klemmmechanismus, was zu einem Überschneiden führt. Die Einhaltung der Bearbeitungstoleranzen mit herkömmlichen Werkstückhalterungen und Vorrichtungen ist schwieriger, wenn es um größere Teile als monolithische Blöcke geht. Aufgrund dieser Fehlausrichtung und des daraus resultierenden Überschneidens ist es eine besondere Herausforderung, die Genauigkeit beizubehalten und hochwertige Oberflächen zu erzeugen.
Auswahl der optimalen Werkzeuge
Die richtige Werkzeugauswahl ist entscheidend für den Erfolg der Dünnwandbearbeitung. Wichtige Überlegungen sind das zu bearbeitende Material, der gewünschte Poliergrad und die notwendigen Maßtoleranzen.
Um Verformungen zu reduzieren und die Präzision bei der Arbeit mit empfindlichen Materialien wie Kunststoff oder Aluminium zu erhöhen, verwenden Sie Spezialwerkzeuge mit kleineren Durchmessern und geringeren Schnitthöhen. Die Stabilität und Qualität des Prozesses werden durch die Schnittleistung und die Materialentfernungsraten beeinflusst, die stark von der Geometrie des Werkzeugs und den Schneidkantenwinkeln beeinflusst werden.
Werkzeuge mit Hochleistungsbeschichtungen, darunter diamantähnlicher Kohlenstoff (DLC) oder Titannitrid (TiN), sind effizienter und langlebiger. Darüber hinaus führen Werkzeuge mit größerem Spiralwinkel zu einer besseren Oberflächenqualität und Spanabfuhr.
Ermittlung der besten Schnittgeschwindigkeiten und Vorschübe
Bei der CNC-Bearbeitung, insbesondere bei der Dünnwandbearbeitung, sind Schnittgeschwindigkeit und Vorschub wesentliche Variablen. Um optimale Ergebnisse zu erzielen, ist es wichtig, diese Einstellungen an das jeweilige Material anzupassen.
Im Allgemeinen werden ein schnellerer Materialabtrag und eine höhere Produktivität durch höhere Schnittgeschwindigkeiten verursacht. Andererseits müssen Präzision und Qualität mit Geschwindigkeit in Einklang gebracht werden. Zu hohe Schnittgeschwindigkeiten können die Qualität des Endprodukts verschlechtern, indem sie zu unerwünschten Materialverformungen, höherer Hitze und übermäßigem Werkzeugverschleiß führen.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Vorschubgeschwindigkeit, die die Geschwindigkeit erfasst, mit der das Schneidwerkzeug durch das Material geht. Die Oberflächenbeschaffenheit und Maßhaltigkeit des Artikels wird stark beeinträchtigt. Die richtige Auswahl der Vorschubgeschwindigkeit verhindert Probleme wie übermäßige Vibrationen und Werkzeugablenkungen und garantiert eine glattere Oberfläche und genaue Abmessungen.
Optimierung des Werkzeugwegs
Bei der Dünnwandbearbeitung wird der Weg, den das Schneidwerkzeug durch das Material nimmt, als Werkzeugweg bezeichnet. Um die Materialverformung zu begrenzen und die beabsichtigten Ergebnisse zu erzielen, muss dieser Weg optimiert werden.
Es gibt verschiedene Techniken zur Werkzeugwegoptimierung, die jeweils Vor- und Nachteile haben. Kontinuierliches, gleichmäßiges Schneiden wird durch spiralförmige Werkzeugwege erleichtert, die die Wahrscheinlichkeit plötzlicher Richtungsänderungen verringern, die Vibrationen verursachen könnten. Um die Werkzeugablenkung zu minimieren und konstante Schnittbedingungen aufrechtzuerhalten, passen sich adaptive Werkzeugwege dynamisch an die Geometrie des Materials an. Aufgrund ihrer Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit eignen sich 3-Achsen-Werkzeugwege für komplizierte Geometrien, müssen jedoch möglicherweise sorgfältig geplant werden, um unnötig große Werkzeugbewegungen zu verhindern.
Effektive Arbeitshaltelösungen
CNC-Vorrichtung
Spannlösungen sind der Schlüssel zur effizienten Vermeidung von Instabilitäten bei der Dünnwandbearbeitung. Diese Methode funktioniert häufig besser als nur das Ändern der Schnitteinstellungen, insbesondere wenn es sich um Gegenstände handelt, deren Frequenzgangfunktion (FRF) schwer zu quantifizieren ist und während des Bearbeitungsprozesses stark variiert.
Vorrichtungen und Werkstückhalterungen
Eine gängige Möglichkeit zur Befestigung dünnwandiger Bauteile ist der Einsatz von Vakuumspannvorrichtungen. Es stehen hauptsächlich zwei Typen zur Verfügung: flexible Vakuumsauger und maßgeschneiderte Vakuumsysteme. Obwohl kostspieliger und auf bestimmte Teile beschränkt, bieten maßgeschneiderte Vakuumsysteme dank der für jedes einzelne Teil hergestellten Spezialausrüstung eine Stärke. Diese Systeme können jedoch dazu führen, dass das Teil einer Zugspannung ausgesetzt wird, die zu einer Verformung führen kann. Umgekehrt erhöhen flexible Vakuumnäpfe oder -betten die Flexibilität und verringern Vibrationen und Durchbiegungen, indem sie sich mithilfe verstellbarer Stifte und Vakuumkappen an die Form des Gegenstands anpassen.
Für Komponenten wie Laufräder, Schaufeln und Blisks werden häufig hydraulische Spannfutter oder Spezialbacken eingesetzt. Diese verhindern in den frühen Schruppphasen effektiv Vibrationen und Durchbiegungen, indem sie den Spanndruck senken und die Verformung während des Prozesses minimieren. Mit verstellbaren Werkstückaufnahmen, die in idealen Positionen Halt bieten, kann die Leistung weiter verbessert werden. Mit durch Simulationen ermittelten Platzierungen und an den flexibelsten Punkten angebrachten Stützen werden beispielsweise einige handelsübliche Werkstückhalterungen hergestellt, um die Schnittenergie über das Teil hinweg auszugleichen. Um Echtzeitänderungen und die Erfassung historischer Daten zur Betriebsführung zu ermöglichen, sind diese Systeme häufig mit integrierten Sensoren ausgestattet.
Bewegliche Vorrichtungen
Bewegliche Vorrichtungen synchronisieren die Bewegung des Werkzeugs mit dem Werkstück, um beim Schneiden von Werkstücken mit geringer Steifigkeit die Stabilität aufrechtzuerhalten. Bei dieser Technik – die oft als „Spiegelfräsen“ bezeichnet wird – wird die Schneidkraft effektiv durch ein Stützstück unterstützt, das sich kollinear mit dem Werkzeugweg bewegt. Die Amplitude von Vibrationen und Verzerrungen wird durch diese Technologie stark reduziert, was die Oberflächengüte verbessert. Ein mit dem Schneidkopf synchronisiertes Luftstrahlsystem ist eine weitere Technik, die die Ablenkung reduziert und als dynamische Unterstützung dient. Durch die deutliche Reduzierung der Werkstückvibration kann diese Luftstrahlhilfe die Oberflächenqualität und Dickengenauigkeit verbessern. Diese Lösungen sind jedoch normalerweise auf einfachere Geometrien beschränkt und möglicherweise für kompliziertere Teile nicht flexibel genug.
Bei Rumpfpaneelen kommt bei einer anspruchsvolleren beweglichen Vorrichtung ein magnetisches Werkstückhaltesystem zum Einsatz, das aus zwei Magnetsätzen besteht. Die Master-Magnete folgen der Werkzeugbahn, während die Slave-Magnete auf der Plattenrückseite durch magnetische Anziehung für ausgleichende Unterstützung sorgen. Durch die Minimierung der Reibungskräfte minimiert dieses System die Schubkräfte beim Fräsen. Um Werkzeugwege zu optimieren, erfordern diese Methoden erhebliche Investitionen und Vormesstechniken. Dennoch haben einige Hersteller Spiegelfräszentren mit Doppelkopfmechanismen hergestellt, die gleichzeitiges Schneiden und Abstützen ermöglichen.
Aktive Dämpfungsaktuatoren
Aktive Dämpfungsaktoren nutzen Wirbelstromdämpfung (ECD) oder piezoelektrische Sensoren, um sich an veränderte Bedingungen anzupassen und Vibrationen zu verhindern. Die Bearbeitungsstabilität kann durch diese Technologien deutlich verbessert werden. Werkstückhaltesysteme mit integrierten Piezoaktoren reduzieren Vibrationen, verbessern die Oberflächenqualität und verlängern die Werkzeuglebensdauer. ECD-Geräte reduzieren Bearbeitungsvibrationen erheblich, indem sie elektromagnetische Induktion zur Erzeugung abstoßender Kräfte nutzen. Die Grenzschnitttiefe kann durch aktive Dämpfung erheblich verbessert werden, wodurch Stabilität und Genauigkeit beim Fräsen erhalten bleiben.
Versteifungsgeräte
Versteifungsvorrichtungen erhöhen die Steifigkeit des Werkstücks. Es wurde nachgewiesen, dass Techniken wie Massenkompensationssysteme, niedrigschmelzende Legierungen (LMPA) und magnetorheologische Flüssigkeiten (MRF) gut funktionieren. Unter einem Magnetfeld wechseln MRFs von flüssig zu halbfest und bieten flexible Unterstützung. Während der Bearbeitung füllen LMPAs die Räume zwischen dem Teil und der Vorrichtung, verfestigen sich, um Steifigkeit zu verleihen, und schmelzen dann weg, ohne das Produkt zu beschädigen. Viskoelastische Dämpfer und energieabsorbierende Schäume sind Beispiele für Massenkompensationsvorrichtungen, die an die Geometrie des Werkstücks angepasst werden können, um Vibrationen zu reduzieren.
Tipps und Best Practices für den Erfolg
Bei der Bearbeitung dünner Wände kann es schwierig sein, Maßgenauigkeit und Geradheit zu erreichen. Beachten Sie die folgenden wichtigen Hinweise, um Ihren Erfolg beim Dünnwandfräsen zu steigern:
- Verwenden Sie das richtige Werkzeug: Um die Werkzeugstärke beim Erreichen größerer Tiefen zu erhalten, verwenden Sie eingeschnürtes Werkzeug. Durch die Messung der Länge unterhalb des Schafts (LBS) wird die Reibung beim Fräsen tiefer Taschen verringert und eine angemessene Spanabfuhr gewährleistet. „Verwenden Sie das richtige Werkzeug: Um die Werkzeugstärke beim Erreichen größerer Tiefen zu erhalten, verwenden Sie ein verengtes Werkzeug. Durch die Messung der Länge unterhalb des Schafts (LBS) wird die Reibung beim Tieftaschenfräsen reduziert und eine angemessene Spanabfuhr gewährleistet.
- Bestimmen Sie die geeignete Schnitttiefe: Um die Wand zu stützen, verwenden Sie eine abgestufte Technik für die axiale Schnitttiefe (ADOC). Aufgrund der Materialhärte wird dadurch die gesamte Wandhöhe in überschaubare Tiefen unterteilt. Mit einer progressiven Methode lässt sich eine radiale Schnitttiefe (RDOC) erreichen, indem der Werkzeugdruck mit zunehmender Wandhöhe verringert und die Seite gewechselt wird, um die Stabilität aufrechtzuerhalten. Um Vibrationen zu reduzieren und die Oberfläche besser zu polieren, verwenden Sie am Ende leichte Durchgänge.
- Gleichlauffräsen: Bei dieser Methode werden Späne hinter den Fräser ausgeworfen und gleichzeitig Hitze und Reibung reduziert. Dadurch, dass die Wärme in den Span und nicht in das Werkzeug oder Werkstück geleitet wird, verlängert sich die Lebensdauer des Werkzeugs, die Kosten werden gesenkt und die Politur der Komponenten verbessert.
- Wandstabilisierung: Zur manuellen Vibrationsdämpfung und Wandstabilisierung verwenden Sie thermoplastische Verbindungen oder Wachs (die sich leicht thermisch entfernen lassen).
- HEM-Werkzeugwege: Um die Materialabtragsraten zu verbessern, den Werkzeugverschleiß zu minimieren und die Werkzeugleistung zu maximieren, kombiniert High-Efficiency Milling (HEM) einen niedrigen RDOC mit einem hohen ADOC und erhöhten Vorschubgeschwindigkeiten.
Verpackungshinweise für dünnwandige Verarbeitungsprodukte
Luftpolsterfolie in einem Karton
Dünnwandige Bearbeitungsteile müssen sorgfältig verpackt werden, um Transportschäden zu vermeiden. Verwenden Sie Schaumstoffeinlagen oder maßgeschneiderte Formen, um jede Komponente sicher zu stützen und Bewegungen zu vermeiden. Bedecken Sie jede Komponente mit einer Schutzschicht aus weichem Schaumstoff oder Luftpolsterfolie, um sie vor Stößen zu schützen. Stellen Sie sicher, dass die Verpackung gut verarbeitet und als „zerbrechlich“ gekennzeichnet ist, damit die Mitarbeiter wissen, dass sie vorsichtig sein müssen. Beim doppelten Verpacken sollte für zusätzlichen Schutz ausreichend Polsterung zwischen den Schichten verwendet werden. Ein gut verpackter Teilesatz bewahrt die Qualität und Maßgenauigkeit Ihrer präzisionsgefertigten Komponenten auch nach der Lieferung.
