Trochoidales Fräsen: Prinzipien, Parameter und Best-Use-Cases

Trochoidales Fräsen ist eine Hochleistungsbearbeitungsstrategie, die die Art und Weise, wie schwer zu bearbeitende Materialien verarbeitet und tiefe Schlitze erzeugt werden, revolutioniert hat. Im Gegensatz zum konventionellen Fräsen, bei dem das Werkzeug einen großen Teil des Werkstücks in einem linearen Pfad angreift, verwendet das trochoidale Fräsen eine Reihe von kreisförmigen oder spiralförmigen Bewegungen in Kombination mit einem Vorschub. Dieser einzigartige Werkzeugweg gewährleistet einen konstant niedrigen radialen Eingriff, was zu erheblichen Vorteilen in Bezug auf Werkzeugstandzeit, Materialabtragsraten und Oberflächenqualität führt.

Prinzipien des trochoidalen Fräsens

Das Kernprinzip des trochoidalen Fräsens liegt in der Steuerung des Eingriffswinkels zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Werkstück. Beim traditionellen Schlitzen oder Volleingriff-Schnitt greift das Schneidwerkzeug 180 Grad oder mehr des Materials an, was zu hohen Schnittkräften, erhöhter Wärmeentwicklung und schnellem Werkzeugverschleiß führt, insbesondere bei harten Materialien oder tiefen Schnitten. Das trochoidale Fräsen hingegen manipuliert den Werkzeugweg, um den radialen Eingriff (Ae) konstant niedrig zu halten, typischerweise zwischen 5 % und 20 % des Werkzeugdurchmessers.

Dies wird erreicht, indem das Werkzeug in einer Reihe von "Trochoiden" bewegt wird – Pfade, die einer Zykloide ähneln. Stellen Sie sich einen Punkt auf dem Umfang eines Kreises vor, während sich dieser Kreis entlang einer geraden Linie dreht; das ist im Wesentlichen eine Trochoide. Beim Fräsen führt das Werkzeug eine kleine kreisförmige Bewegung aus und bewegt sich gleichzeitig entlang des gewünschten Schnittpfads vorwärts. Dieses kontinuierliche Ein- und Ausrücken der Schneidkanten bedeutet, dass jeder Zahn sanft in den Schnitt eintritt und ihn verlässt, wodurch Stoßbelastungen reduziert und übermäßige Wärmeentwicklung verhindert werden.

Die Vorteile dieses kontrollierten Eingriffs sind vielfältig. Erstens ermöglicht der reduzierte radiale Eingriff eine viel höhere axiale Zustellung (Ap). Das bedeutet, dass Sie in einem einzigen Durchgang tiefer in das Material schneiden können, was die Materialabtragsraten erheblich verbessert. Zweitens verlängern die geringeren Schnittkräfte und die gleichmäßigere Spanbelastung die Werkzeugstandzeit dramatisch. Die erzeugte Wärme wird gleichmäßiger über die Schneidkanten verteilt, und das Risiko von Ausbrüchen oder vorzeitigem Verschleiß wird minimiert. Drittens tragen die konstante Spanndicke und die verbesserte Spanabfuhr, die dem trochoidalen Fräsen innewohnen, zu einer besseren Oberflächengüte und reduzierter Verfestigung bei, was besonders wichtig für Materialien wie Edelstahl und Superlegierungen ist.

Schlüsselparameter beim trochoidalen Fräsen

Die Optimierung des trochoidalen Fräsens erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung mehrerer miteinander verbundener Parameter:

• Radialer Eingriff (Ae): Wie bereits erwähnt, ist dies der wichtigste Parameter. Er wird typischerweise niedrig gehalten, oft zwischen 0,05D und 0,20D (wobei D der Werkzeugdurchmesser ist). Ein kleineres Ae führt zu geringeren Schnittkräften und längerer Werkzeugstandzeit, kann aber mehr trochoidale Durchgänge erfordern.

• Axiale Zustellung (Ap): Diese kann beim trochoidalen Fräsen im Vergleich zu herkömmlichen Methoden deutlich höher sein. Es wird oft empfohlen, die volle Schneidenlänge des Schaftfräsers zu nutzen, um den Eingriff der Schneidkanten zu maximieren und den Verschleiß gleichmäßig zu verteilen. Ap kann je nach Werkzeug und Material zwischen 1D und 5D oder sogar mehr betragen.

• Vorschub (Fz / Vf): Aufgrund des geringen radialen Eingriffs und der stabilen Schnittbedingungen ermöglicht das trochoidale Fräsen viel höhere Vorschübe pro Zahn (Fz) und folglich höhere Tischvorschübe (Vf). Es ist üblich, Vorschübe zu sehen, die 2-5 Mal höher sind als beim konventionellen Fräsen für dasselbe Material.

• Spindeldrehzahl (RPM): Ähnlich wie bei den Vorschüben werden oft höhere Spindeldrehzahlen eingesetzt, um eine ausreichende Oberflächengeschwindigkeit an der Schneidkante aufrechtzuerhalten und eine effiziente Spanbildung zu gewährleisten.

• Trochoidaler Steg (STR): Dies bezieht sich auf den Abstand, um den sich die Mitte des trochoidalen Pfads mit jedem vollständigen trochoidalen Zyklus vorwärts bewegt. Er beeinflusst direkt die Materialmenge, die pro Durchgang abgetragen wird, und muss sorgfältig mit dem radialen Eingriff abgestimmt werden, um eine effiziente Bearbeitung ohne Überlastung des Werkzeugs zu gewährleisten.

• Trochoidaler Radius (R): Dies ist der Radius des kreisförmigen Pfads, den das Werkzeug innerhalb jeder Trochoide ausführt. Er steht in direktem Zusammenhang mit dem radialen Eingriff und dem Werkzeugdurchmesser. Ein größerer trochoidaler Radius entspricht im Allgemeinen einem breiteren Schlitz oder mehr Materialabtrag pro Durchgang, jedoch immer noch innerhalb der Prinzipien des niedrigen Ae.

Das Zusammenspiel dieser Parameter ist entscheidend. So erfordert beispielsweise die Erhöhung der axialen Zustellung eine sorgfältige Steuerung des radialen Eingriffs und der Vorschübe, um eine Werkzeugüberlastung zu verhindern. Moderne CAM-Software spielt eine wichtige Rolle bei der Berechnung und Optimierung dieser komplexen Werkzeugwege und gewährleistet einen effizienten und sicheren Betrieb.

Best-Use-Cases für das trochoidale Fräsen

Das trochoidale Fräsen zeichnet sich in spezifischen Anwendungen aus, in denen das konventionelle Fräsen Schwierigkeiten hat. Seine Vorteile machen es zur bevorzugten Strategie für:

• Tiefes Schlitzen und Taschenfräsen: Dies ist wohl die primäre Anwendung für das trochoidale Fräsen. Das Erstellen tiefer Schlitze oder Taschen, insbesondere in zähen Materialien, ist mit herkömmlichen Methoden aufgrund von Problemen bei der Spanabfuhr, hohen Schnittkräften und schnellem Werkzeugverschleiß notorisch schwierig. Der geringe radiale Eingriff des trochoidalen Fräsens ermöglicht Volltiefenschnitte, wodurch die Bearbeitungszeit erheblich reduziert und die Werkzeugstandzeit verbessert wird. Die kontinuierliche Freigabe des Werkzeugwegs unterstützt auch die Spanabfuhr.

• Schwer zu bearbeitende Materialien: Materialien wie Edelstähle, Titanlegierungen, Inconel und andere Superlegierungen sind bekannt für ihre hohe Festigkeit, Zähigkeit und Neigung zur Verfestigung. Die Fähigkeit des trochoidalen Fräsens, eine konstante, leichte Spanbelastung aufrechtzuerhalten und die Wärme gleichmäßig zu verteilen, ist für diese Materialien von großem Vorteil. Es reduziert das Risiko der Verfestigung und verlängert die Lebensdauer teurer Hartmetallwerkzeuge.

• Schruppen: Für Anwendungen, die hohe Materialabtragsraten beim Schruppen erfordern, ist das trochoidale Fräsen außergewöhnlich effizient. Es kann große Materialmengen schnell und effektiv abtragen und das Werkstück für nachfolgende Schlichtdurchgänge vorbereiten.

• Dünnwandige Teile: Bei der Bearbeitung von Teilen mit dünnen Wänden kann das traditionelle Fräsen erhebliche Durchbiegungen verursachen, was zu Maßungenauigkeiten oder Rattern führt. Die geringeren Schnittkräfte und der konstante Eingriff des trochoidalen Fräsens reduzieren diese Probleme und ermöglichen eine stabilere Bearbeitung empfindlicher Merkmale.

• Vibrationsreduzierung: Durch die Aufrechterhaltung niedriger und konstanter Schnittkräfte reduziert das trochoidale Fräsen Vibrationen während der Bearbeitung erheblich. Dies ist sowohl für die Werkzeugstandzeit als auch für die Lebensdauer der Maschinenspindel von Vorteil und trägt zu einer besseren Oberflächengüte bei.

• Verbesserte Werkzeugstandzeit: Bei allen Anwendungen ist der konsistenteste Vorteil des trochoidalen Fräsens die dramatische Verbesserung der Werkzeugstandzeit. Durch die Verhinderung übermäßiger Wärmeentwicklung und die gleichmäßige Verteilung des Verschleißes halten Schaftfräser erheblich länger, wodurch Werkzeugkosten und Maschinenstillstandszeiten für Werkzeugwechsel reduziert werden.

Im Wesentlichen stellt das trochoidale Fräsen einen Paradigmenwechsel in den Bearbeitungsstrategien dar, der sich von der Materialabtragung mit roher Gewalt zu einem intelligenteren, kontrollierten Ansatz bewegt. Durch das Verständnis seiner Prinzipien und die Optimierung seiner Parameter können Hersteller erhebliche Verbesserungen in Bezug auf Produktivität, Werkzeuglebensdauer und Teilequalität erzielen, insbesondere bei der Bearbeitung anspruchsvoller Materialien und Geometrien.