Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM) ist einer der wichtigsten Entwicklungsschritte in der CNC-Bearbeitung. Es ermöglicht eine bessere Oberflächengüte der Teile und beschleunigt gleichzeitig den Herstellungsprozess erheblich.
Einerseits handelt es sich um eine sehr effektive Technologie, die weithin als neuer Standard für die CNC-Bearbeitung anerkannt ist. Andererseits erfordert sie umfangreiche materialwissenschaftliche Kenntnisse, den Einsatz von CAD/CAM-Programmen (d. h. die für die Planung und Ausführung der CNC-Bearbeitung zuständigen Personen) sowie hochwertige CNC-Maschinen.
Was ist HSM-Bearbeitung und wie führt ihre Anwendung zu echten Einsparungen bei der Herstellung von Teilen?
Was ist Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (HSM)?
Die HSM-Bearbeitung (von englisch High Speed Machining, Hochgeschwindigkeitsbearbeitung) ist eine der Techniken zur Herstellung von Teilen mit CNC-Werkzeugmaschinen. Sie beschleunigt den Herstellungsprozess und ermöglicht bereits bei der Grobbearbeitung eine bessere Oberflächenqualität, so dass die damit hergestellten Teile häufig keine zusätzliche Nachbearbeitung (z. B. Schleifen oder Polieren) erfordern.
HSM ist charakterisiert durch:
- hohe Schnittgeschwindigkeiten,
- hohe Vorschubgeschwindigkeiten,
- niedrige Schnitttiefen - dies sorgt für einen geringeren Verschleiß des Schneidwerkzeugs und beschleunigt die praktische Bewegung des Schneidwerkzeugs (kleine Materialmengen werden mit hoher Geschwindigkeit abgetragen),
- sehr hohe Drehzahlen der Frässpindeln; angenommen werden über 10.000 Umdrehungen pro Minute / RPM,
- spezielle Werkzeuge (Drehklingen, Fräser usw.), um Material in großen Mengen vom Werkstück abzutragen,
- spezielle CNC-Bearbeitungsmaschinen (die entsprechend kalibriert und programmiert sind und sich durch eine sehr hohe Steifigkeit auszeichnen, die den Werkzeugweg nicht beeinträchtigt), damit hohe Schnittgeschwindigkeiten und eine hohe Prozessgenauigkeit erreicht werden können.
Die richtige Wahl der Arbeitsparameter ermöglicht es, eine gute Oberflächenqualität zu erzielen - insbesondere bei der Wahl der richtigen Fräser (in der Regel klein, oft kugelförmig) oder der Schnitttiefe (etwa 0,02-0,05 mm).
Die Literatur über CNC-Maschinen und die Bearbeitung von Werkstoffen mit diesen Maschinen ist immer noch nicht ganz klar, wie der Begriff der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung zu definieren ist. Die Wahl der Arbeitsparameter hängt von den mechanischen Parametern des gewählten Materials ab, aber die gemeinsamen Nenner dieser Methode sind die oben genannten Elemente.
Vorteile der HSM-Verarbeitung
Die wichtigsten Vorteile der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung sind nach wie vor die hohe Schnittgeschwindigkeit und die Möglichkeit, in relativ kurzer Zeit eine gute Oberflächenqualität zu erreichen.
Dies führt zu:
- Beschleunigung des Bearbeitungsprozesses und der Herstellung der Teile,
- Reduzierung der Herstellungskosten für die Teile (in vielen Fällen eine Reduzierung der Werkzeugspuren auf ein Minimum),
- in vielen Fällen ist keine weitere Nachbearbeitung/Präzisionsbearbeitung (z. B. CNC-Schleifen oder -Polieren) erforderlich,
- weniger Belastung für das Schneidewerkzeug und daher: geringerer Werkzeugverschleiß,
- die Möglichkeit der glatten Bearbeitung großer Flächen, ohne dass der Prozess in mehrere Stufen unterteilt werden muss,
- leichtere Bearbeitung von Hartmetalllegierungen (z.B. gehärteter Stahl, spezielle Aluminium- oder Titan-Serien),
- niedrigere Arbeitstemperatur, was sich in einer geringeren thermischen Belastung niederschlägt, bessere Haltbarkeit der gefertigten Teile - ohne die Notwendigkeit fortschrittlicher Systeme zur Kühlung der bearbeiteten Oberfläche,
- bei entsprechender Maschinenkalibrierung - keine Vibrationen im Bearbeitungsprozess.
Anwendungen für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung
Die hohe Präzision der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung führt dazu, dass sie in vielen Branchen eingesetzt wird, in denen es auf eine gleichmäßige Oberflächenqualität und mechanische Leistung ankommt.
Folgende Industriezweige setzen HSM-Bearbeitung häufig ein:
- Luft- und Raumfahrt - insbesondere bei der Herstellung von Rotorblättern für Düsentriebwerke, die aufgrund ihrer Größe und starken Belastung eine hochpräzise Bearbeitung und eine möglichst identische Oberflächenqualität erfordern,
- Automobilindustrie - die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ermöglicht es, in kürzerer Zeit eine sehr gute Oberflächenqualität zu erreichen, insbesondere bei der Bearbeitung von Teilen, die hohen Kräften ausgesetzt sind (z. B. Pleuelstangen, Motorblöcke, Kolben),
- die Präzisionsindustrie im Allgemeinen - die Beschleunigung der Bearbeitung von z. B. hartem Stahl oder Aluminiumlegierungen ermöglicht die Herstellung robuster und relativ leichter Strukturen mit guten mechanischen Parametern und ohne thermische Spannungen (die die Lebensdauer des Bauteils beeinträchtigen können),
- Elektronikindustrie - HSM ermöglicht die Herstellung von Matrizen, Gussformen oder anderen dünnwandigen Objekten, Rahmen oder Teilen, die in vielen Bereichen dieser Industrie benötigt werden (z. B. robuste Mobiltelefonrahmen).
HSM vs. HEM-Bearbeitung. Welche Methode ist die richtige?
Eine andere Bearbeitungsmethode, die noch relativ neu ist, ist HEM oder Hocheffizienzbearbeitung (High Efficiency Machining).
HSM setzt voraus:
- hohe Vorschubgeschwindigkeit,
- sehr geringe Schnitttiefe (ADOC),
- große radiale Schnitttiefe.
HEM hingegen verwendet:
- hohe Vorschubgeschwindigkeit des Schneidwerkzeugs,
- aber mit hohen Schnitttiefen,
- geringe radiale Schnitttiefen (RDOC).
Bei dieser Bearbeitung wird das Material über die gesamte Seitenfläche des Fräsers abgetragen, aber der Fräser dringt nur flach in das Material ein, was zu einer besseren Wärmeableitung (größere Kühloberfläche) und geringerem Werkzeugverschleiß führt.
Diese beiden Methoden haben ihre Vorteile und ermöglichen die Herstellung von Oberflächen mit ähnlichen Qualitätsparametern bei der Fertigung von Bauteilen aus Materialien mit unterschiedlichen Parametern.
Die Wahl des richtigen Bearbeitungsverfahrens (HSM / HEM) unter Berücksichtigung des Werkstoffs und der zu erwartenden Eigenschaften des Bauteils erfordert ein hohes Maß an werkstoffkundlichem Wissen und modernster CNC-Bearbeitungstechnik.
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