Zusammenspiel von Maschine, Werkzeug und CAM-Strategie
Da es im Werkzeug- und Formenbau häufig um Einzelstücke und Kleinserien geht, kommen bevorzugt Standardwerkzeuge zum Einsatz. Angesichts der kaum überschaubaren Vielfalt an Geometrien und Ausführungsvarianten scheuen Anwender davor zurück, eine große und entsprechend kostenintensive Vielzahl an Werkzeugvarianten zu bevorraten. Der CAM-Programmierung kommt so die Aufgabe zu, die anstehende Bearbeitung möglichst mit dem vorhandenen Bestand zu erledigen. Kompromisse gehen dabei oft zu Lasten der Maschinenlaufzeit. In einem gemeinsamen Projekt haben MAPAL und der Fräsmaschinenhersteller Röders GmbH an einem Musterwerkstück das Zusammenspiel von Maschine, Werkzeugen und CAM-Strategie optimiert.
„MAPAL ist führend im Bereich von Hochleistungswerkzeugen mit speziell an die Kundenanforderungen angepassten Eigenschaften“, so Dietmar Maichel, Global Head of Segment Management Die & Mould bei der MAPAL Dr. Kress KG. Deshalb lag lange ein Fokus des Unternehmens auf Sonderwerkzeugen. Doch stieg in den vergangenen Jahren der Anteil an kurzfristig verfügbaren Standardwerkzeugen, wie auch das umfangreiche Produktprogramm für den Werkzeug- und Formenbau zeigt: Von den rund 6.500 Standardwerkzeugen sind etwa 5.000 ab Lager verfügbar. Sie weisen im Formenbau besonders gefragte Eigenschaften auf, wie etwa die Eignung zur Bearbeitung hochharter Werkstoffe bei engen Toleranzen. Letzteres ist wesentlich für die Erzielung einer hohen Genauigkeit bei exzellenter Oberflächengüte.
„Für ein Pilotprojekt zur Erstellung eines Formwerkzeuges suchten wir einen innovativen Maschinenhersteller als Partner“, berichtet Maichel. Karsten Wolff, MAPAL Gebietsverkaufsleiter für Norddeutschland und Dänemark, stellte den Kontakt zu der Röders GmbH aus Soltau her. Bereits erste Gespräche verliefen sehr vielversprechend und mündeten in einer Zusammenarbeit. MAPAL konstruierte in Abstimmung mit Röders ein Probebauteil, das dem Kern für ein großflächiges Spitzgießbauteil nachempfunden war. Die Geometrie wies diverse bearbeitungstechnische Handicaps sowie strenge Vorgaben bezüglich der Oberflächengüte auf und stellte sehr hohe Anforderungen an die Bearbeitung. Als Werkstoff wurde der im Formenbau verbreitete und auf 50±2 HRC durchgehärtete Stahl 1.2343 gewählt. Component Manager Francesco Ingemi von MAPAL erstellte mit dem CAM-Programm Hypermill von OpenMind eine optimale Frässtrategie und definierte dabei die am besten geeigneten Werkzeuge.
Abstimmung von Maschine und Werkzeugen
„Im Bereich Werkzeug- und Formenbau sind die Anforderungen bezüglich Präzision und Oberflächengüte besonders hoch“, erläutert Dr.-Ing. Oliver Gossel, Vertriebsleiter Maschinenbau der Röders GmbH. Zudem werden sie ständig weiter nach oben geschraubt. Deshalb sollen Fräsmaschine und Fräswerkzeuge harmonieren, wie Dr. Gossel ergänzt: „Dabei geht es nicht nur um Schneidstoffeigenschaften, Spindelleistung und Vorschubgeschwindigkeit, sondern beispielsweise auch um Steifigkeit gegen Werkzeugabdrängung, Schwingungsdämpfung oder auch um Nullpunktstabilität bei Bearbeitungen, die stunden- und sogar tagelang durchlaufen.“ Eine wichtige Rolle spielen zudem hochgenaue Messsysteme für die Kontrolle der Achspositionen sowie für die Vermessung der Werkzeuge.
Genutzt für den Pilotversuch im Röders-Technikum wurde eine HSC-Fünfachsmaschine RXP 601 DSH. Dieser Maschinentyp hat sich in zahlreichen Formenbaubetrieben als robustes und zugleich hochpräzises Arbeitspferd bewährt. Das von MAPAL vorgeschlagene NC-Programm wurde gemeinsam mit den HSC-Spezialisten von Röders unter Berücksichtigung der Leistungsdaten, insbesondere der möglichen hohen Dynamik, RXP 601 DSH optimiert. Im Ergebnis entstand eine hinsichtlich Genauigkeit und Oberflächenqualität optimierte Frässtrategie, bei der auch die sekundären Ziele einer möglichst kurzen Bearbeitungszeit sowie eines minimalen Werkzeugsverschleißes nicht außer Acht gelassen wurden.
Spezielle Werkzeuge: Schrupp- und Schlichtfräser für hohen Vorschub
„Für die Bearbeitung kamen insgesamt 16 verschiedene Werkzeuge zum Einsatz“, sagt Dietmar Maichel. Einige sind aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften besonders hervorzuheben. In der Reihenfolge der Bearbeitungsabläufe ist das zunächst der Hochvorschubfräser OptiMill-3D-HF-Hardened, der für das Abtragen großer Materialmengen zum Einsatz kam. Der sechsschneidige Fräser mit Durchmesser 16 mm schruppte mit einer Schnittgeschwindigkeit von 170 m/min und einem Vorschub pro Zahn von 0,5 mm. Er erreichte somit eine Vorschubgeschwindigkeit von über 10 m/min. Speziell zum Schruppen gehärteter Bauteile mit Härten ab 56 HRC entwickelt, zeichnet sich der OptiMill-3D-HF-Hardened als sehr fehlerverzeihend im unterbrochenen Schnitt aus. Auch bei Schlichtprozessen erzielt der Fräser dank seiner innovativen Stirngeometrie hohe Oberflächengüten.
The OptiMill-3D-CR-Hardened five-edged corner radius milling cutter with a diameter of 10 mm is used to finish the upper area – face surface, contour and radius transitions. This milling cutter designed for stability with high radius accuracy is suitable for finishing workpiece materials up to 66 HRC. With high feed-rate values, it creates first-class to high-gloss surfaces.
Custom tools: Shoulder radius milling cutter and finishing milling cutter with wiper geometry
“The possible applications of the OptiMill-3D-CS shoulder radius milling cutter are innovative”, Ingemi divulges. Thanks to its special geometry, available in teardrop and taper shapes, this milling cutter machines workpiece sides with a high material removal rate and reduces machining time. Compared to standard ball nose milling cutters, higher-quality surface finishes can be achieved with the same line interlace and machining time. The milling cutter geometry is even more of an advantage if there are larger line interfaces: The processing times can be reduced by up to 80 percent here, while the surface remains the same or improves. The high surface quality achieved also allows polishing efforts to be reduced noticeably.
The NeoMill-3D-Finish radial indexable insert milling cutter is universally deployable for finishing hardened workpiece materials and applications. Its particularly wear-resistant and precision-manufactured indexable inserts with axial and radial wiper geometries enable high cutting depths and feed per tooth values, and thus high productivity. A solid carbide extension also makes low-vibration finishing possible at great depths.
Both tools require high feed rates for ideal operation, not only on straight pathways but also along curved routes. The Röders machine is particularly good at this due to its high dynamics with high values during acceleration. “Even after machining inner corners, where the speed has to be reduced to zero, ideal cutting values are achieved again in no time”, Dr Gossel explains. Users thus achieve both very high tool lives as well as excellent milling results. “A very nice example of the desired synergy between machine and tool”, Wolff notes.
“This project was a good chance for both partners to get to know each other, both on a technical as well as a personal level”, Dr Gossel concludes. It showed that the entrepreneurial philosophies of both companies harmonise. Röders’ objective is that the users can work with their machines as efficiently as possible. In order to provide optimal support here, Röders uses most CAM systems available on the market. MAPAL doesn’t just sell tools either. On request, they support their customers actively and competently with a well-networked team of technical consultants, market segment specialists, development engineers as well as CAM programmers.
The cooperation between the two companies was convincing, both during the definition of the machining strategy and in practice: The machining of the generic component took eight hours and twelve minutes at a continuous surface roughness of Ra 0.09–0.12 µm. “A variety of tools was used for the project’s finishing steps”, Dr Gossel highlights. “In practice, this is often refrained from as problems could occur due to ‘shoulders’ on the workpiece because of inadequate tool accuracy and machine rigidity or accuracy, for example due to thermal drifts.” To avoid this, users willingly accept longer machining time. There were no risks of this kind in this project due to the quality of machine, tools and CAM programming. The selected strategy, which was ideal for the corresponding surface segments, resulted in short machining time.
Meanwhile, various joint projects are running to develop solutions for tasks from Röders’ customers. A joint customer workshop is also planned for this purpose.
CORMOL aus Portugal stellt Stanzwerkzeuge her, für die man seit 2022 eng mit MAPAL zusammenarbeitet. Mit dem OptiMill-3D-HF hat CORMOL eine zuverlässige und wirtschaftliche Werkzeuglösung im Einsatz.
Für ein neues Projekt des Motorenherstellers DEUTZ in Zafra hat MAPAL das komplette Engineering inklusive Werkzeugauslegung, Taktzeitstudie und Kostenkalkulation binnen zwei Wochen auf die Beine gestellt.
