Trends & Innovationen

Fünf Achsen für optimale Werkzeugführung

11.11.2009

Umfrage: Das 5-Achs-Fräsen gilt nicht von ungefähr als Elitesparte der Zerspanung. Die Komplexität der Bearbeitung erfordert hohe Kompetenz der Bediener. werkzeug&formenbau befragte Maschinenhersteller, wohin sich diese „Königs­disziplin“ entwickelt und was in Zukunft bei den Maschinen zu erwarten ist.

Umfrage_1Die Vorteile liegen klar auf der Hand: 5-Achs-Fräsen ermöglicht die Verwendung von relativ kurzen und damit sehr stabilen Werkzeugen, wenn es um die Bearbeitung von Freiformflächen in höchster Oberflächenqualität und Maß- und Formgenauigkeit geht. Das ist insbesondere auch bei schwer zerspanbaren Werkstoffen ein Vorteil. Die hohen Freiheitsgrade des Werkzeugs ermöglichen in vielen Fällen die Fertigbearbeitung eines Werkstücks in einer Aufspannung. Das 5-Achs-Fräsen kann die Bearbeitung deutlich wirtschaftlicher gestalten, zumal mit den Möglichkeiten dieser Technologie unter Umständen auch nachfolgende Prozessschritte ganz oder teilweise entfallen können – so lassen sich Prozessketten neu und effizient gestalten.

Trotzdem trifft insbesondere die „Königsklasse“, die simultane 5-Achs-Bearbeitung, noch immer auf Vorbehalte bei den Anwendern – nicht ohne Grund: Die Programmierung, so die Meinung der Skeptiker, ist viel zu kompliziert angesichts der erzielbaren Vorteile, die simultanen Bewegungsabläufe stellen darüber hinaus (zu) hohe Ansprüche an Maschine und Steuerung, das Arbeiten ist auch für den Maschinenbediener deutlich komplexer als bei einer 3-Achs-Bearbeitung. Und dann ist da ja auch noch der Preis einer 5-Achs-Maschine.

Lohnt der Programmieraufwand?
Viele dieser Herausforderungen wurden indes inzwischen gelöst – leistungsfähige Umfrage_2Steuerungen und Antriebe, entsprechend angepasste Maschinenkonstruktionen, aber auch speziell auf die Möglichkeiten der Maschinen ausgelegte CAM-Software und Postprozessoren, die die 5-Achs-Programmierung mit intelligenten Features einfach und sicher gestalten. Bleibt die Frage insbesondere in der Unikatfertigung: Lohnt der erhöhte Programmieraufwand, oder kommt man mit dem einfacheren 3-Achs-Fräsen vielleicht sogar schneller und genauso gut ans Ziel?

„Bei der simultanen 5-Achs-Bearbeitung wird über die Integration von zwei zusätzlichen Rundachsen zu den bestehenden Linearachsen, das Fräswerkzeug in fünf Achsen im Verhältnis zur Bauteiloberfläche geführt“, erklärt Martin Gosch, Geschäftführer des Bereichs Werkzeug- und Formenbau bei Makino. „So können optimale Werkzeugeingriffsverhältnisse konstant realisiert werden; ein Vorteil, der insbesondere beim Einsatz von empfindlichen Hochleistungsschneidstoffen wie CBN oder PKD eine Steigerung der Prozessstabilität mit sich bringt.“ Die freie geometrische Orientierung der Werkzeugachse ermöglicht im Vergleich zu konventionellen Fräsverfahren deutlich geringere Bearbeitungszeiten aufgrund der hohen erzielbaren Zeilenbreiten, wobei trotzdem vergleichbare Oberflächengüten erreicht werden. Hohe Produktivität bei höchster Genauigkeit soll eine wirtschaftliche 5-Achsen-Bearbeitung ermöglichen und die Durchlaufzeit innerhalb der Prozesskette von der Zeichnung zum fertigen Werkstück verkürzen.

Umfrage_3Interessant speziell bei tiefen Kavitäten und für große Radien
„Simultanfräsen mit fünf Achsen ist interessant für den Werkzeug- und Formenbau bei tiefen Kavitäten, aber auch, um große Radien mit einem Torusfräser zu erstellen“, erklärt Rudolf Dreer, Abteilungsleiter Vertrieb Standardmaschinen bei Grob in Mindelheim. „Hauptanwendungsbereich ist die 5-Seiten-Bearbeitung in einer Aufspannung und das Erzeugen von Raumbohrungen und -schrägen.“ Die Grob-Zentren versprechen dank ihrer horizontalen Spindellage einen guten Spänefall. „Wir werden die Produktpalette der fünfachsigen Standardmaschinen mit entsprechendem Zubehör weiter ausbauen und mittelfristig interessante Lösungen vorstellen“, erläutert Dreer. „Wir haben ein breites Kursprogramm, um unsere Anwender zu schulen. Erfahrene Anwendungstechniker stehen in unserem Technologie- und Anwendungszentrum zur Verfügung. 3D-CAD/CAM-Systeme sind zur Programmierung vorhanden. Und Teile können auf ,virtuellen Maschinen‘ simuliert werden.“

Röders setzt bei seinen fünfachsigen Maschinen ausschließlich auf Direktantriebe, sowohl bei den Linearachsen als auch bei den Rundachsen: Damit soll nicht nur eine höhere Beschleunigung, sondern auch eine gesteigerte Genauigkeit ermöglicht werden. „Ziel bei der Entwicklung der fünfachsigen HSC-Fräsmaschinen ist bei Röders die Erzielung höchstmöglicher Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächengüte in möglichst kurzer Bearbeitungszeit“, erklärt Oliver Gossel, Vertriebsleiter bei Röders. „In jüngster Zeit werden fünfachsige Maschinen verstärkt nachgefragt, auch wegen der Möglichkeit, möglichst kurze Werkzeuge einzusetzen. Unsere Maschinen können auch für Schrupp- und Bohrbearbeitungen sowie das Gewindeschneiden aufgrund verfügbarer Spindeln bis HSK60F sowie IKZ bis 80 bar ausgerüstet werden.“ Die Maschinen decken von der Herstellung kleinster hochpräziser Bauteile bis hin zu großen Stahleinsätzen einen großen Anwendungsbereich ab.

Anforderungen wachsen weiter
„Prinzipiell kann gesagt werden, dass die Anforderungen an die Dynamik beim 5-Umfrage_4Achs-Fräsen immer höher werden“ erklärt Wolfgang Ziemann, Vertriebsleiter bei Handtmann A-Punkt Automation. „Für die Maschinenauslegung bedeutet dies, dass wir verstärkt direkt angetriebene Köpfe in unsere Maschinen einbauen, um die Dynamik der Rotationsachsen A und C zu erhöhen.“ Seiner Beobachtung nach geht der Trend im 5-Achs-Fräsen deutlich zu schwer zerspanbaren Werkstoffen wie Titan. „Hier werden Maschinen gefordert, die eine vollwertige 5-Achs-Simultanbearbeitung für das Schruppen und Schlichten auf einer Maschine ermöglichen – das war vorher nur mit Umspannen auf eine andere Maschine möglich“, erklärt Ziemann. „Der Modell-, Formen- und Werkzeugbau benötigt Maschinen, die fünfachsig bearbeiten können. Hier kommt es insbesondere auf die Oberflächenqualität an, die nur fünfachsig erreicht wird.“

Dass auf 5-Achs-Zentren ein Großteil der Arbeiten dreiachsig, in 3+2 oder 4+1 abläuft, ist für Erich Unger, Konstrukteur und Geschäftsführer bei Matec in Köngen, durchaus sinnvoll: „Eine Geometrie besteht in der Regel ja nicht nur aus Freiformflächen. Und nicht immer ist die fünfachsige Strategie die beste“, erklärt der erfahrene Praktiker. „Beim Schruppen ist man mit angestellten Achsen meist deutlich effizienter. Und auch wenn es um höchste Genauigkeit geht, ist fünfachsig nicht immer die beste Wahl.“ Ein weiterer Knackpunkt aus seiner Sicht: „Je mehr Achsen in Bewegung sind, desto langsamer reagiert auch die Steuerung.“ Und insbesondere wenn es an die Bearbeitung großer Formen geht, macht sich die Maschinendynamik bemerkbar: „Das ist, wie mit einem Lkw um die Ecke zu rasen“, veranschaulicht Unger. „Da müssen auch die Bewegungen langsamer werden. Die Physik lässt sich eben nicht austricksen.“

Umfrage_5Die Physik setzt enge Grenzen bei hochgenauen Bearbeitungen
Die Physik setzt auch Grenzen, wenn es um höchste Präzision geht: „Wer sehr genau arbeiten muss, sollte sich sehr gut überlegen, ob er sich für drei- oder fünfachsige Bearbeitung entscheidet“, erklärt Rudi Riedel, Geschäftsführer bei Kern Micro- und Feinwerktechnik in Eschenlohe. „Wenn es darum geht, das µ zu spalten, ist dreiachsige Bearbeitung die erste Wahl. Unsere Erfahrungen aus der eigenen Lohnfertigung zeigen, dass hier mit nur drei Achsen meist bessere Resultate erzielt werden können.“ In der Bearbeitung von Freiformflächen oder auch nur zur Bearbeitung mehrerer Seiten ohne Umspannen sind natürlich 5-Achs-Maschinen unschlagbar: „Mit angestellten Achsen lässt sich präzise und trotzdem sehr flexibel arbeiten“, erläutert der Praktiker. „So lassen sich beispielsweise schräge Flächen in die Horizontale kippen und können dann schnell und rationell mit einem Plan­fräser bearbeitet werden – das eröffnet eine sinnvolle Alternative zum in der Regel sehr zeitraubenden Abzeilen. Neuerdings ersetzen wir sogar das Flachschleifen schräger Flächen an Maschinenbauteilen, etwa Prismenführungen, mittels fünfachsig angestelltem Schleifen in unserer hydrostatischen Fräsmaschine Pyramid Nano. Damit entfallen mehrmaliges Umspannen und der Bau aufwändiger Vorrichtungen.“

Frank Hainbach, Verkaufsleiter bei Fidia, setzt ebenfalls auf hohe Präzision: „Ein Ziel der fünfachsigen Bearbeitung muss sicherlich sein, manuelle Nacharbeit möglichst zu minimieren“, erklärt er. „Deshalb bemühen wir uns, die Präzision nicht erst per Software-Trickkiste zu erreichen, sondern sie schon in der Konstruktion der Maschine anzulegen.“ So soll ein thermosymmetrischer Aufbau den Fidia-Maschinen eine hohe Grundgenauigkeit garantieren. „Ein weiterer wichtiger Aspekt: Wer eine fünfachsige Maschine kauft, wird sie sinnvollerweise nicht nur in einer Schicht nutzen – hier sind adäquate Automatisierungslösungen wie etwa Palettenwechsler oder Flexible Fertigungssysteme (FFS) gefordert, die einen unterbrechungsfreien Betrieb auch in mannarmen Schichten ermöglichen.“

Durchdachte AutomatisierungUmfrage_6
„In Zukunft werden hochklassige Maschinen dauerhaft in der Lage sein, sowohl angestellte als auch 5-Achs-Simultanbearbeitungen mit hoher Präzision auszuführen“, erklärt Benjamin Sendler, Leiter Anwendungstechnik Fräsen bei GF AgieCharmilles in Deutschland. Der Maschinenhersteller setzt auf Dynamik und Präzision im Verbund mit Automatisierungslösungen. „Um aber immer mehr Laufzeit in der mannlosen Schicht zu generieren, sind mehr Aufwendungen im Vorfeld der Fertigungsprozesse notwendig“, erklärt Sendler. „Deshalb kommt mit mehr Automatisierungsmöglichkeiten dem hoch qualifizierten Bediener und dem Programmierer eine immer größere Bedeutung zu, diese immer komplexeren Prozesse zu beherrschen und gewinnbringend einzusetzen. Denn um immer mehr Laufzeit in der mannlosen Schicht zu generieren, ist immer mehr Kompetenz in Planung, Entwicklung und Vorbereitung dieser Fertigungsprozesse notwendig. Das Schulungskonzept bei GF Agie Charmilles ist daher darauf ausgerichtet, unsere Anwender auf diesem Weg bestmöglich zu begleiten.“Rw


Verwandte Beiträge