Trochoidales Fräsen und Hochleistungszerspanung (HEM/HSM): Eingriffswinkel, Parameter und Berechnung des Zeitspanvolumens

Trochoidales Fräsen und Hochleistungszerspanung (High Efficiency Milling, HEM) sind ein Ansatz, der die Schnittparameter nicht einzeln anhebt, sondern die Eingriffsgeometrie neu aufbaut. Der Grundgedanke besteht darin, den Radialeingriff zu verkleinern und den Axialeingriff zu vergrößern und so die Last auf der Schneide über Zeit und Länge zu verteilen. Dieser Beitrag behandelt die Logik der Strategie, die Berechnung von Eingriffswinkel und Vorschubkorrektur, den Vergleich des Zeitspanvolumens, die Bezeichnungen auf CAM-Seite und die Anforderungen an die Werkzeugmaschine.

1. Die Grenze des Vollnutfräsens

Beim Vollnutfräsen (full slot) ist der Radialeingriff gleich dem Werkzeugdurchmesser: ae = D. Die Schneide bleibt dabei über einen Bogen von 180° im Werkstoff. Die Folgen lassen sich unter drei Punkten zusammenfassen:

• Wärmestau. Die Zeit, die die Schneide im Werkstoff verbringt, ist lang; der zur Abkühlung verbleibende Bogen ist kurz. Die Wärme staut sich im Werkzeug, statt an den Span abgegeben zu werden.
• Lastkonzentration. Da der Axialeingriff zwangsläufig klein gehalten wird (typisch 0,25–1,0 × D), sammelt sich der Verschleiß nur in der unteren Zone der Schneidenlänge. Der übrige Teil des Werkzeugs bleibt ungenutzt.
• Spanabfuhr. In der Nut ist die Werkzeugnut der einzige Weg, über den der Span abfließen kann. Setzt sich der Spanraum zu, wird der Span erneut geschnitten und das Werkzeug bricht. Die eigenen Regeln des Nutfräsens sind unter Nutfräsen, Eintauchen und helikale Interpolation gesondert behandelt.

Zudem ist die Radialkraft hoch und der Eingriffswinkel wächst in Ecken sprunghaft an. Daraus entsteht sowohl Rattergefahr als auch die Gefahr eines plötzlichen Bruchs.

2. Die Logik der trochoidalen Strategie

Beim trochoidalen Fräsen führt das Werkzeug, während es in Vorschubrichtung versetzt wird, gleichzeitig eine Kreisbewegung aus. Die entstehende Bahn ist eine Folge sich überlagernder Kreise, und in jedem Zyklus wird eine dünne Schicht vom Werkstoff abgenommen. Damit lässt sich eine Nut, die breiter als der Werkzeugdurchmesser ist, mit geringem Radialeingriff herstellen.

Der Parameteraufbau ist die Umkehrung des herkömmlichen Ansatzes:

Sandvik Coromant gibt an, dass der kontrolliert gehaltene Eingriffsbogen geringe Schnittkräfte erzeugt und dies hohe axiale Schnitttiefen zulässt, und dass die Neigung zum Rattern begrenzt bleibt, weil sich jeweils nur ein Zahn im Eingriff befindet. Dieselbe Quelle führt an, dass die Strategie das Arbeiten mit deutlich höheren Schnittgeschwindigkeiten als bei herkömmlichen Verfahren ermöglicht.

Axialeingriff: Die Vergrößerung des Axialeingriffs ist kein optionales Detail dieser Strategie, sondern das eigentliche Element, das die Produktivität trägt. Wird ae verkleinert und ap unverändert gelassen, sinkt das Zeitspanvolumen und die Strategie verliert ihren Sinn.

3. Eingriffswinkel und Korrektur der Spanungsdickenreduzierung

Der Radialeingriff bestimmt den Bogen, auf dem die Schneide im Werkstoff bleibt. Der Winkel dieses Bogens wird als Eingriffswinkel (engagement angle) bezeichnet und nach folgender Beziehung berechnet:

θ = arccos(1 − 2 × ae / D)

Sinkt der Radialeingriff unter den Werkzeugradius, bleibt die entstehende größte Spanungsdicke unter dem Zahnvorschub. Dieses Phänomen wird als radiale Spanungsdickenreduzierung (radial chip thinning) bezeichnet. Um die angestrebte Spanungsdicke zu erhalten, wird der Zahnvorschub mit einem Korrekturfaktor multipliziert:

RCTF = 1 / √(1 − (1 − 2 × ae / D)²), daraus fz = RCTF × fz(nominal)

Das Vernachlässigen der Korrektur ist der häufigste Anwendungsfehler dieser Strategie. Wird der Vorschub nicht erhöht, sinkt die Spanungsdicke in die Größenordnung der Schneidkantenverrundung; statt zu schneiden beginnt das Werkzeug zu quetschen, die Wärme kann nicht mit dem Span abgeführt werden und geht in das Werkzeug über. Die axiale Spanungsdickenreduzierung und die Seite des Kugelfräsers sind unter Spanungsdickenreduzierung und Vorschubkorrektur ausführlich dargestellt. Für die Grundbeziehungen von Drehzahl und Vorschub dient die Seite Schnittgeschwindigkeit, Drehzahl und Vorschub berechnen.

4. Vergleich des Zeitspanvolumens

Das Zeitspanvolumen (Material Removal Rate, MRR) wird nach folgender Beziehung ermittelt:

Q = ap × ae × vf / 1000 (Q: cm³/min, ap und ae: mm, vf: mm/min)

Das folgende Beispiel vergleicht zwei Strategien mit einem Schaftfräser aus Hartmetall mit D = 10 mm in allgemeinem Baustahl. Die Werte sind typischen Anwendungsbereichen entnommen.

Herkömmliche Vollnut

• Z = 3, vc = 80 m/min → n = 1000 × 80 / (π × 10) = 2.546 min⁻¹
• fz = 0,04 mm/Zahn (wegen des vollen Eingriffs abgesenkt)
• vf = 0,04 × 3 × 2.546 = 306 mm/min
• ae = 10 mm, ap = 5 mm
• Q = 10 × 5 × 306 / 1000 = 15,3 cm³/min

Trochoidal

• Z = 4, vc = 200 m/min → n = 1000 × 200 / (π × 10) = 6.366 min⁻¹
• ae = 1 mm (10 % × D) → RCTF = 1,67 → fz = 0,05 × 1,67 ≈ 0,08 mm/Zahn
• vf = 0,08 × 4 × 6.366 = 2.037 mm/min
• ae = 1 mm, ap = 15 mm (1,5 × D)
• Q = 1 × 15 × 2.037 / 1000 = 30,6 cm³/min

Die Verdopplung der Produktivität im Beispiel geht nicht auf einen einzelnen Parameter zurück: die Verdreifachung des Axialeingriffs und die Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit gleichen gemeinsam den Rückgang des Radialeingriffs auf ein Zehntel mehr als aus. Wegen der Leerweganteile der trochoidalen Bahn fällt der tatsächliche Gewinn an Zykluszeit etwas geringer aus als dieses Verhältnis; dafür kommt der Gewinn an Standzeit hinzu.

5. Wärmeverteilung und Standzeit

Der Beitrag der Strategie zur Standzeit stammt aus zwei Mechanismen. Der erste ist die Kontaktzeit: je schmaler der Eingriffswinkel, desto kürzer die Schnittzeit der Schneide je Umdrehung und desto länger die in der Luft verbrachte Zeit, sodass die Schneide in jeder Umdrehung Gelegenheit zum Abkühlen erhält. Der zweite ist die Verteilung der Last über die Schneide: wird der Axialeingriff auf das 1- bis 2-Fache des Durchmessers erhöht, konzentriert sich der Verschleiß nicht in der unteren Zone, sondern verteilt sich über die gesamte Schneidenlänge. Die Vergleichmäßigung von Wärme und Verschleiß über die Schneide führt gegenüber dem herkömmlichen Nutfräsen zu einer längeren Standzeit.

In den von Harvey Performance Company veröffentlichten Anwendungsbeispielen wird berichtet, dass die Anzahl der mit einem einzigen Werkzeug bearbeiteten Teile im nichtrostenden Stahl 17-4PH gegenüber der herkömmlichen Schruppbahn von 15 auf 40 gestiegen ist und dass in der Aluminiumlegierung 6061 mit einem einzigen Werkzeug 900 Teile bearbeitet und damit gegenüber dem herkömmlichen Verfahren eine Steigerung von über 150 % erzielt wurde. Da diese Werte von Maschine, Aufspannung und Kühlung abhängen, sind sie nicht unverändert zu erwarten; die dargestellte Tendenz ist jedoch konsistent. Die Unterscheidung der Verschleißformen und die Standzeitkriterien sind unter Werkzeugverschleißmechanismen und Standzeit behandelt. Das Standardverfahren für vergleichende Standzeituntersuchungen ist in ISO 8688-2 festgelegt.

Der Gewinn entsteht nicht allein aus der Bahngeometrie, sondern aus der gesamten Spannkette. Da mit hoher Drehzahl gearbeitet wird, werden Rundlauffehler und Wuchtung bestimmend; Typ der Werkzeugaufnahme, Spannqualität und Rundlauftoleranz beeinflussen die erreichte Standzeit unmittelbar.

6. Bezeichnungen auf CAM-Seite

Dieselbe Grundlogik wird in CAM-Systemen unter verschiedenen Handelsnamen angeboten. Der Unterschied liegt darin, wie der Eingriff gemessen und wie der Vorschub angepasst wird.

Gemeinsam ist ihnen, das Anwachsen des Eingriffswinkels in Ecken und engen Übergängen zu verhindern. Beim herkömmlichen konturparallelen Schruppen steigt der Eingriff in der Innenecke sprunghaft an; adaptive Algorithmen halten die Last konstant, indem sie in diesem Bereich zusätzliche trochoidale Zyklen einfügen.

7. Anforderungen an Werkzeugmaschine und Steuerung

Die Strategie erzeugt gegenüber der herkömmlichen Bahn wesentlich mehr und wesentlich kürzere NC-Sätze. Bestimmend ist deshalb nicht allein die Spindelleistung, sondern die Fähigkeit der Steuerung, diese Sätze schnell genug zu verarbeiten und den Vorschub zu halten.

• Look-ahead-Tiefe und Satzverarbeitungszeit. Kann die Steuerung das Geschwindigkeitsprofil nicht vorausschauend im Voraus auflösen, verlangsamt sie bei jedem Richtungswechsel. Der programmierte Vorschub wird nicht erreicht und das berechnete Zeitspanvolumen bleibt unerreichbar.
• Achsbeschleunigung. In den kurzen Kreiszyklen beschleunigen und verzögern die Achsen fortlaufend. Auf Maschinen mit geringer Beschleunigungskapazität bleibt ein hoher programmierter Vorschub nur auf dem Papier.
• Steifigkeit und Spindelwucht. Auch wenn die Radialkraft gering ist, ist der Axialeingriff groß und die Drehzahl hoch; Spindellager und Wuchtung der Werkzeugaufnahme sind bestimmend.
• Spanabfuhr und Kühlung. In der tiefen Nut entsteht ein großes Spanvolumen. Kühlschmierstoff unter Druck oder Druckluft ist erforderlich, um zu verhindern, dass der Span in die Schnittzone zurückgelangt.

Zur Bewertung ratterbedingter Grenzen dient der Beitrag Rattern beim Fräsen: Ursachen und Lösungen.

8. Fälle, in denen die Strategie ungeeignet ist

Die Strategie bringt nicht bei jeder Aufgabe einen Gewinn. In den folgenden Fällen sind herkömmliche Bahnen vorzuziehen:

• Flache Taschen und leichtes Schruppen. Bleibt der Axialeingriff unter 0,5 × D, entfällt der wesentliche Hebel der Strategie; da der Anteil der Leerwege steigt, kann sich die Gesamtzeit verlängern.
• Planfräsen großer offener Flächen. Für diese Aufgabe ist das Arbeiten mit hohem ae und geringem ap mit einem Messerkopf oder Planfräser effizienter.
• Werkzeuge mit kurzer Schneidenlänge. Der Axialeingriff kann die Schneidenlänge des Werkzeugs nicht überschreiten; mit einem kurzen Werkzeug lässt sich kein hoher ap auslegen.
• Schwach gespannte oder dünnwandige Werkstücke. Ein hoher Axialeingriff belastet das Werkstück über einen langen Kraftarm. Wanddurchbiegung und Rattergefahr nehmen zu.
• Steuerungen mit geringer Beschleunigung oder kurzem Look-ahead-Puffer. Die berechnete Leistung wird nicht erreicht.
• Schlichtoperationen. Die trochoidale Bahn ist eine Schruppstrategie; die Oberflächenqualität wird gesondert durch einen Schlichtschnitt hergestellt.

Beim Arbeiten mit hohem Axialeingriff sind Werkzeuge mit langer Schneidenlänge und großem Kerndurchmesser im Vorteil; derartige Geometrien lassen sich in der Kategorie der flachen Schaftfräser einsehen.

Quellen

• Sandvik Coromant — Slicing and trochoidal milling
• Sandvik Coromant — Entering angle and chip thickness in milling
• Harvey Performance Company / Helical Solutions — Introduction to High Efficiency Milling
• Sandvik Coromant — Milling formulas and definitions (Beziehungen für vc, n, vf, fz und Q)
• Celeritive Technologies — VoluMill: How It Works
• ISO 8688-2:1989 — Tool life testing in milling — Part 2: End milling
• ISO 3685:1993 — Tool-life testing with single-point turning tools (Definitionen der Standzeitkriterien)
• Machinery's Handbook, Industrial Press — Abschnitte Milling / Speeds and Feeds