Was ist CNC-Eintauchfräsen?

CNC-Eintauchfräsen, auch Z-Achsen-Fräsen genannt, ist eine hocheffektive Bearbeitungstechnik, bei der sich das Schneidwerkzeug vertikal entlang der Z-Achse bewegt und mit dem Material in Eingriff kommt. Im Gegensatz zum konventionellen Fräsen, das mit Seitenschneiden arbeitet, nutzt das Eintauchfräsen primär die Stirnschneiden des Werkzeugs, um Material in einer bohrähnlichen Bewegung in Kombination mit einer Translation in der XY-Ebene abzutragen. Dieser einzigartige Ansatz macht das Eintauchfräsen ideal für die Bearbeitung großer Materialmengen, insbesondere bei schwierigen Werkstoffen, tiefen Kavitäten oder Teilen mit großem Werkzeugüberhang.

Kernvorteile: Lösung traditioneller Herausforderungen in der Zerspanung

1. Dramatisch verbesserte Effizienz

CNC-Eintauchfräsen steigert die Bearbeitungseffizienz deutlich und reduziert die Bearbeitungszeit bei der Bearbeitung großer Materialmengen um bis zu 50 % bis 75 %. Dies führt zu Kosteneinsparungen und schnelleren Produktionsdurchläufen – ein entscheidender Vorteil für Branchen, die eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung benötigen.

Beispiel:

Bei der Bearbeitung von 40Cr-Stahl (55-60 HRC) mit tiefen Bohrungen (Ø 8,2 mm × 50 mm Tiefe) benötigte das herkömmliche Fräsen 3 Stunden, während das Eintauchfräsen die Arbeit in nur 1 Stunde erledigte – eine Effizienzsteigerung von 200 %.

2. Radial reduzierte Schnittkräfte

Eine der größten Herausforderungen beim konventionellen Fräsen sind die hohen radialen Schnittkräfte, die zu Verformungen dünnwandiger Werkstücke führen oder die Werkzeugstandzeit verkürzen können. Das Eintauchfräsen reduziert diese Kräfte um über 70 % und führt dadurch zu Folgendem:

• Werkstückverformungskontrolle: Dünnwandige und wenig steife Teile können ohne Verformungsrisiko bearbeitet werden.
• Stabilität älterer Geräte: Auch ältere oder abgenutzte Spindelmaschinen können eine stabile Leistung erbringen, wodurch die Lebensdauer der Maschinen verlängert und der Bedarf an teuren Geräteaufrüstungen reduziert wird.

3. Außergewöhnliche Fähigkeit zur Behandlung tiefer Kavitäten

Das Eintauchfräsen ermöglicht die Bearbeitung tiefer Kavitäten bis zu einer Tiefe von 250 mm ohne Werkzeugrattern oder -durchbiegung und löst damit die Probleme der Werkzeugvibration und des Werkzeugbruchs, die bei der herkömmlichen Bearbeitung tiefer Kavitäten auftreten.

Nutzen:

Diese Funktion reduziert die Rüstzeiten um über 50 % bei tiefen Nuten, Formhohlräumen und Luft- und Raumfahrtkomponenten und bietet somit erhebliche Zeit- und Kosteneinsparungen in Branchen mit komplexen Bauteilkonstruktionen.

4. Flexibilität für komplexe Geometrien

Durch mehrachsige Interpolation ermöglicht das Einstechfräsen die Bearbeitung schwer zugänglicher Bereiche wie beispielsweise Turbinenschaufelwurzelprofile. Das Verfahren unterstützt sowohl Aufwärts- als auch Abwärtsschnitte und bietet somit Flexibilität bei der Bearbeitung von Teilen mit speziellen Geometrien.

Wichtige technische Details: Werkzeuge und Parameter

1. Spezialwerkzeugkonstruktion

• Schnittwinkel: Werkzeuge mit einem 87°- oder 90°-Winkel optimieren die Eintrittsleistung beim Eintauchfräsen.
• Kühlsysteme: Standardwerkzeuge verfügen über interne Kühlmittelkanäle, um während der Bearbeitung eine gleichbleibende Temperatur zu gewährleisten. Dies ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Werkzeugstandzeit und der Schnittleistung.
• Modulare Einsätze: Die Anzahl der Einsätze ist abhängig vom Werkzeugdurchmesser und reicht von 2 Einsätzen für Werkzeuge mit Ø20 mm bis zu 8 Einsätzen für Werkzeuge mit Ø125 mm.

2. Wichtige Bearbeitungsparameter

• Vorschubgeschwindigkeit: 0,08-0,25 mm/Zahn, abhängig vom zu bearbeitenden Material.
• Schnitttiefe: Typischerweise 1,5- bis 2-mal der Werkzeugdurchmesser bei Schruppbearbeitungen.
• Zustellung: Im Allgemeinen 60%-80% des Werkzeugdurchmessers, um ein Gleichgewicht zwischen Materialabtragsrate und Werkzeugverschleiß zu erreichen.

Materialspezifische Anwendungen: Branchenlösungen

1. Superlegierungen: Triebwerkskomponenten für die Luft- und Raumfahrt

• Herausforderungen: Nickelbasierte Legierungen wie Inconel 718 sind bekannt für ihre hohe Festigkeitserhaltung bei erhöhten Temperaturen und ihre Kaltverfestigungstendenz, die zu starkem Werkzeugverschleiß beim traditionellen Fräsen führt.
• Anwendung beim Einstechfräsen: Wird zur Bearbeitung von Tannenwurzelprofilen für Turbinenschaufeln verwendet:
• Schneidtemperaturregelung: Das interne Kühlmittel zielt direkt auf die Hitzezonen und verhindert so eine Überhitzung.
• Werkzeuglebensdauerverlängerung: Vorwiegend axiale Kräfte reduzieren das Ausbrechen der Schneidkante.
• Verzerrungskontrolle: Keine Verformung in dünnwandigen Schaufelabschnitten.
• Parameterhinweise:Verwenden Sie eine kleine Zustellung (40 % Durchmesser), einen geringen Vorschub (0,1 mm/Zahn) mit Hochdruckkühlung (>80 bar).

2. Titanlegierungen: Strukturbauteile für die Luft- und Raumfahrt

• Herausforderungen: Die häufig verwendete Titanlegierung Ti-6Al-4V weist eine geringe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe chemische Reaktivität mit Werkzeugbeschichtungen auf, was die Bearbeitung erschwert.
• Vorteile des Eintauchfräsens:
• Die Bearbeitung tiefer Kavitäten in einem Arbeitsgang reduziert Werkzeugwechsel und verbessert so die Produktivität.
• Die Wärme wird mit den Spänen abgeführt, anstatt auf das Werkzeug übertragen zu werden.
• Der Energiebedarf ist im Vergleich zum Spiralfräsen um 40 % geringer, wodurch es sich auch für ältere Maschinen eignet.

Anwendungsgebiete: Bearbeitung tiefer Hohlräume in Flugzeugstrukturbauteilen und Fahrwerksblöcken.

3. Gehärtete Stähle: Formenbau

• Materialien: 40Cr (55-60 HRC), H13 Werkzeugstahl (48-52 HRC).
• Herausforderungen: Bei herkömmlichen Fräsverfahren für gehärtete Stähle sind 50 Durchgänge erforderlich, um eine Tiefe von 50 mm zu bearbeiten, was zu geringer Effizienz und übermäßigem Werkzeugverschleiß führt.
• Leistungsvergleich beim Einstechfräsen:
• Konventionelles Fräsen: 50 Durchgänge, 3 Stunden, erheblicher Werkzeugverschleiß.
• Eintauchfräsen: 2 Eintauchgänge + 5 Schlichtgänge, Fertigstellung in 1 Stunde, 60 % geringere Werkzeugkosten.
• Entscheidender Vorteil: Reduziert Radialkräfte, gewährleistet die Rechtwinkligkeit der Kavitäten und minimiert die Werkzeugdurchbiegung.

Praktischer Implementierungsleitfaden

1. Wann sollte man das Eintauchfräsen wählen?

• Materielle Faktoren: Ideal für schwer zerspanbare Werkstoffe wie Superlegierungen, Titanlegierungen und gehärtete Stähle.
• Geometrie der Merkmale:Ideal für tiefe Kavitäten (> 3× Werkzeugdurchmesser), schmale Schlitze und komplexe Oberflächen.
• Gerätebedingungen:Geeignet für ältere oder leistungsschwächere Maschinen (Maschinen mit einer Kegelaufnahme von <40).
• Produktionsbedarf: Ideal für schnelles Prototyping und grobe Schruppbearbeitungen.

2. Umsetzungsstrategie

Werkzeugauswahl: Priorisieren Sie 87°-Eintauchfräsmaschinen mit passenden internen Kühlmittelkanälen.

Werkzeugwegprogrammierung: Nutzen Sie fortschrittliche CAM-Software (z. B. Hypermill, Mastercam), die die Optimierung tiefer Kavitäten mit mehreren Z-Achsen unterstützt.

Parameteroptimierung:

Fallstricke vermeiden: Die Feinbearbeitung sollte weiterhin mit konventionellen Fräsverfahren erfolgen; das Eintauchfräsen wird hauptsächlich zum Schruppen und Vorschlichten eingesetzt.

CNC-Eintauchfräsen ist zwar keine Universallösung, aber ein revolutionäres Bearbeitungsverfahren für schwierige Werkstoffe, tiefe Kavitäten und Bauteile mit hohen Steifigkeitsanforderungen. Besonders vorteilhaft ist es in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Energiewirtschaft und dem Formenbau, wo Präzision und Materialqualität höchste Priorität haben. Dank der stetigen Verbesserung von CAM-Software für die Verarbeitung von Code mit mehreren Z-Achsen bietet CNC-Eintauchfräsen weiterhin deutliche Produktivitäts- und Kostenvorteile. Hersteller, die mit Engpässen, veralteten Anlagen oder Herausforderungen durch exotische Werkstoffe konfrontiert sind, sollten die Beherrschung des Eintauchfräsens in Betracht ziehen, um auf dem globalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben.