Trochoidales und dynamisches Fräsen: Grundlagen, Parameter und Grenzen

Was dieses Verfahren ist

Trochoidales Fräsen (auch als "Trochoidfräsen" bezeichnet) und dynamisches Fräsen sind spanende Bearbeitungsverfahren, bei denen das Werkzeug nicht linear entlang der Kontur des Werkstücks bewegt wird, sondern eine spiralförmige (trochoidale) Bahn beschreibt. Der zentrale Unterschied zu herkömmlichem Fräsen liegt in der Steuerung der radialen Eingriffsbreite (ap – Tiefe der radialen Schnittzone) und der Schnittgeschwindigkeit: Bei beiden Verfahren wird die radiale Eingriffsbreite auf einen kleinen, konstanten Wert begrenzt, während die Vorschubgeschwindigkeit kontinuierlich an die Bahnform angepasst wird, um den Spanlast (die Dicke des Spans, der pro Schneide pro Umdrehung abgetragen wird) konstant zu halten.

Wichtige Eigenschaften, die für die Bearbeitung relevant sind:

1. Konstanter Spanlast: Der Spanlast (fz) ist die Dicke des Spans, der eine Schneide des Werkzeugs pro Umdrehung abträgt. Bei konstantem Spanlast bleibt die Belastung jeder Schneide gleich, unabhängig von der Bahnform.
2. Kleine radiale Eingriffsbreite: Im Gegensatz zu herkömmlichem Fräsen, bei dem die radiale Eingriffsbreite oft 50–100 % des Werkzeugdurchmessers beträgt, liegt sie bei trochoidalen Verfahren typischerweise zwischen 5 und 30 % des Werkzeugdurchmessers.
3. Angepasste Vorschubgeschwindigkeit: Da die Bahn des Werkzeugs ständig ändert, wird die Vorschubgeschwindigkeit automatisch so angepasst, dass der Spanlast konstant bleibt.

Wie es sich unter dem Werkzeug verhält

Die Kombination aus kleinem radialen Eingriff und konstantem Spanlast verändert das Verhalten des Schnittprozesses grundlegend:

Schnittkräfte

Bei herkömmlichem Fräsen steigen die Schnittkräfte mit zunehmender radialer Eingriffsbreite stark an, da mehr Schneiden gleichzeitig im Eingriff sind und die Belastung pro Schneide höher ist. Bei trochoidalen Verfahren bleibt die radiale Eingriffsbreite klein, sodass die Gesamtkräfte deutlich niedriger sind – typischerweise um 30–50 % geringer als bei herkömmlichem Fräsen bei gleicher Materialabtragsrate. Die Kräfte sind zudem gleichmäßiger verteilt, da der Spanlast konstant bleibt.

Wärmeentwicklung

Ein großer Teil der Schnittwärme wird bei herkömmlichem Fräsen über den Span abgeführt, aber bei hoher radialer Eingriffsbreite bleibt mehr Wärme im Werkzeug und Werkstück. Bei trochoidalen Verfahren ist die Kontaktzeit zwischen Schneide und Werkstück pro Umdrehung kürzer, sodass weniger Wärme in das Werkzeug eindringt. Zusätzlich führt die kleine radiale Eingriffsbreite dazu, dass der Span dünner und leichter abgeführt wird, wodurch mehr Wärme mit dem Span abtransportiert wird. Die Temperatur des Werkzeugs sinkt dadurch um bis zu 40 % im Vergleich zu herkömmlichem Fräsen.

Spanbildung

Bei konstantem Spanlast sind die Späne gleichmäßig dick und gleichmäßig geformt. Dies verhindert, dass Späne sich verkeilen oder sich am Werkzeug aufbauen, was bei unregelmäßigen Spanlasten oft vorkommt. Die Späne sind zudem kürzer und leichter abzuführen, was die Prozesssicherheit erhöht.

Werkzeugverschleiß

Der Werkzeugverschleißmechanismus ändert sich bei trochoidalen Verfahren: Statt thermischer Überlastung und unregelmäßiger mechanischer Belastung (die bei herkömmlichem Fräsen zu frühzeitigem Ausfall führen) tritt Verschleiß hauptsächlich durch gleichmäßigen Abrieb auf. Da die Belastung jeder Schneide gleich ist, tritt Verschleiß gleichmäßig über alle Schneiden auf, statt sich auf einzelne Schneiden zu konzentrieren. Dies führt zu einer deutlich längeren Werkzeuglebensdauer – je nach Material und Parametern um 200–500 % länger als bei herkömmlichem Fräsen.

Praktische Parameter

Die Parameter für trochoidales und dynamisches Fräsen hängen stark vom Werkzeugdurchmesser, dem Werkstückmaterial und der Maschinenleistung ab. Im Folgenden finden Sie praxisrelevante Bereiche und die Begründung dahinter:

Radiale Eingriffsbreite (ap)

Bereich: 5–30 % des Werkzeugdurchmessers (D)

• Begründung: Bei weniger als 5 % D ist die Kontaktzeit zwischen Schneide und Werkstück so kurz, dass die Schneide nicht genug Zeit hat, um den Span zu formen, was zu unregelmäßigen Spanlasten und erhöhtem Verschleiß führt. Bei mehr als 30 % D gehen die Vorteile des Verfahrens (niedrigere Kräfte, geringere Wärme) verloren, da die Belastung pro Schneide stark ansteigt.
• Trade-off: Kleinere ap-Werte führen zu längeren Werkzeuglebensdauern, aber zu geringeren Materialabtragsraten. Größere ap-Werte erhöhen die Materialabtragsrate, reduzieren aber die Werkzeuglebensdauer.

Axiale Eingriffstiefe (ae)

Bereich: 1–5 × D

• Begründung: Da die Schnittkräfte niedrig sind, kann die axiale Eingriffstiefe deutlich größer als bei herkömmlichem Fräsen gewählt werden. Bei mehr als 5 × D besteht das Risiko von Werkzeugverformung oder Vibrationen, insbesondere bei langen Werkzeugen.
• Trade-off: Größere ae-Werte erhöhen die Materialabtragsrate, erfordern aber steifere Maschinen und Werkzeuge.

Schnittgeschwindigkeit (vc)

Bereich: 10–50 % höher als bei herkömmlichem Fräsen

• Begründung: Da die Werkzeugtemperatur niedriger ist, kann die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden, ohne das Werkzeug zu überlasten. Die genaue Höhe hängt vom Werkstückmaterial ab: Für weiche Materialien wie Aluminium kann die Schnittgeschwindigkeit um bis zu 50 % erhöht werden, für harte Materialien wie gehärteten Stahl um 10–20 %.
• Trade-off: Höhere vc-Werte erhöhen die Materialabtragsrate, führen aber zu einem etwas schnelleren Abrieb des Werkzeugs.

Vorschubgeschwindigkeit (vf)

Bereich: Angepasst an den konstanten Spanlast (fz)

• Begründung: Die Vorschubgeschwindigkeit wird von der Steuerung automatisch so angepasst, dass fz konstant bleibt. Der fz-Wert liegt typischerweise zwischen 0,05 und 0,2 mm pro Schneide pro Umdrehung, abhängig von der Anzahl der Schneiden und dem Werkstückmaterial.
• Trade-off: Höhere fz-Werte erhöhen die Materialabtragsrate, führen aber zu höheren Kräften und einem schnelleren Verschleiß.

Werkzeuggeometrie

• Anzahl der Schneiden: 2–4 Schneiden für weiche Materialien, 4–6 Schneiden für harte Materialien. Mehr Schneiden führen zu höheren Materialabtragsraten, erfordern aber eine bessere Spanabfuhr.
• Schneidenwinkel: Positive Schneidenwinkel für weiche Materialien, negative Schneidenwinkel für harte Materialien. Positive Winkel reduzieren die Kräfte, negative Winkel erhöhen die Steifigkeit der Schneide.
• Werkzeugdurchmesser: Kleine Werkzeuge (≤ 10 mm) für enge Konturen, große Werkzeuge (≥ 20 mm) für hohe Materialabtragsraten.

Maschinenanforderungen

Für trochoidales und dynamisches Fräsen eignen sich Maschinen mit hoher Spindelgeschwindigkeit und guter Steuerung. Zum Beispiel:

• GA-DV750: Mit einer maximalen Spindelgeschwindigkeit von 30.000 U/min und einer Positioniergenauigkeit von 0,003 mm eignet sich diese Maschine für die Bearbeitung von kleinen bis mittleren Werkstücken aus weichen bis mittelharten Materialien.
• GA-MV856: Mit einem hohen Spindeldrehmoment von bis zu 95,5 Nm eignet sich diese Maschine für die Bearbeitung von harten Materialien wie gehärtetem Stahl, auch bei größeren Werkzeugen.
• GA-UHD500: Mit einer hohen Spindelleistung von 37 kW und einem Drehmoment von 130 Nm eignet sich diese Maschine für anspruchsvolle Bearbeitungen von harten Materialien mit hohen Materialabtragsraten.

Was geht schief

Trotz der Vorteile des Verfahrens können verschiedene Fehler auftreten. Im Folgenden finden Sie die häufigsten Fehlerarten, ihre Erkennung und Behebung:

Vibrationen

• Erkennung: Unregelmäßige Oberflächenqualität, erhöhter Werkzeugverschleiß, ungewöhnliche Geräusche während der Bearbeitung.
• Ursachen: Zu große axiale Eingriffstiefe, zu hohe Schnittgeschwindigkeit, unzureichende Maschinensteifigkeit, falsche Werkzeuggeometrie.
• Behebung: Reduzieren der axialen Eingriffstiefe, Senken der Schnittgeschwindigkeit, Verwenden eines steiferen Werkzeugs oder einer steiferen Maschine, Anpassen der Werkzeuggeometrie.

Werkzeugbruch

• Erkennung: Plötzlicher Ausfall des Werkzeugs, Beschädigung des Werkstücks.
• Ursachen: Zu hohe radiale Eingriffsbreite, zu hoher Spanlast, Verkeilen von Spänen, falsche Werkzeuggeometrie.
• Behebung: Reduzieren der radialen Eingriffsbreite, Senken des Spanlasts, Verbessern der Spanabfuhr durch Anpassen der Schnittgeschwindigkeit oder Verwenden eines Werkzeugs mit besserer Spanabfuhr, Anpassen der Werkzeuggeometrie.

Schlechte Oberflächenqualität

• Erkennung: Rillen, Unebenheiten oder unregelmäßige Oberflächen auf dem Werkstück.
• Ursachen: Ungenaue Steuerung, falsche Bahnform, zu hohe Vorschubgeschwindigkeit, Verschleiß des Werkzeugs.
• Behebung: Überprüfen der Maschinensteuerung und Positioniergenauigkeit, Anpassen der Bahnform, Senken der Vorschubgeschwindigkeit, Ersetzen des Werkzeugs.

Überhitzung des Werkzeugs

• Erkennung: Verfärbung des Werkzeugs, erhöhter Verschleiß, plötzlicher Ausfall des Werkzeugs.
• Ursachen: Zu hohe Schnittgeschwindigkeit, zu große radiale Eingriffsbreite, unzureichende Kühlung.
• Behebung: Senken der Schnittgeschwindigkeit, Reduzieren der radialen Eingriffsbreite, Verbessern der Kühlung durch Erhöhen der Kühlmittelmenge oder Verwenden eines besseren Kühlmittels.

Ehrliche Grenzen

Trochoidales und dynamisches Fräsen sind nicht für alle Anwendungen geeignet. Im Folgenden finden Sie Fälle, in denen das Verfahren eine schlechte Wahl ist:

1. Große, offene Flächen: Bei der Bearbeitung von großen, offenen Flächen ist herkömmliches Fräsen oft effizienter, da die Bahnlänge bei trochoidalen Verfahren deutlich länger ist. Die höhere Materialabtragsrate von trochoidalen Verfahren kann die längere Bahnlänge nicht ausgleichen.
2. Sehr weiche, zähe Materialien: Bei sehr weichen, zähen Materialien wie weichem Kupfer oder Kunststoffen kann die kleine radiale Eingriffsbreite dazu führen, dass der Span nicht richtig gebrochen wird und sich verkeilt. Dies führt zu erhöhtem Verschleiß und schlechter Oberflächenqualität.
3. Maschinen mit niedriger Spindelgeschwindigkeit: Maschinen mit einer maximalen Spindelgeschwindigkeit von weniger als 10.000 U/min können die Vorteile des Verfahrens nicht voll nutzen, da die Schnittgeschwindigkeit nicht ausreichend erhöht werden kann. Zum Beispiel eignet sich die GA-GF2517 mit einer maximalen Spindelgeschwindigkeit von 6.000 U/min nur bedingt für trochoidales Fräsen.
4. Sehr kleine Werkstücke: Bei sehr kleinen Werkstücken mit komplexen Konturen kann die Bahnlänge bei trochoidalen Verfahren so lang werden, dass die Bearbeitungszeit länger ist als bei herkömmlichem Fräsen.
5. Anwendungen mit extrem hohen Anforderungen an die Oberflächenqualität: Obwohl die Oberflächenqualität bei trochoidalen Verfahren gut ist, kann sie bei Anwendungen mit extrem hohen Anforderungen (z. B. optische Komponenten) nicht mit spezialisierten Verfahren wie dem Feinfräsen mithalten.

Parameter- und Troubleshooting-Tabelle

Praktische Checkliste für die Einrichtung des Jobs

1. Werkstückmaterial prüfen: Stellen Sie sicher, dass das Material für trochoidales Fräsen geeignet ist (keine sehr weichen, zähen Materialien).
2. Maschine auswählen: Wählen Sie eine Maschine mit ausreichender Spindelgeschwindigkeit, Drehmoment und Genauigkeit. Zum Beispiel die GA-DV750 für kleine bis mittlere Werkstücke, die GA-MV856 für harte Materialien.
3. Werkzeug auswählen: Wählen Sie ein Werkzeug mit passender Anzahl von Schneiden, Schneidenwinkel und Durchmesser. Verwenden Sie Werkzeuge mit guter Spanabfuhr.
4. Parameter festlegen: Legen Sie ap, ae, vc und fz fest, basierend auf dem Werkzeugdurchmesser und dem Werkstückmaterial. Achten Sie auf den konstanten Spanlast.
5. Bahnform prüfen: Überprüfen Sie die Bahnform des Werkzeugs, um sicherzustellen, dass sie für das Werkstück geeignet ist. Vermeiden Sie zu enge Kurven, die zu hohen Vorschubgeschwindigkeiten führen.
6. Kühlung einstellen: Stellen Sie sicher, dass die Kühlung ausreichend ist, um das Werkzeug und das Werkstück zu kühlen.
7. Testlauf durchführen: Führen Sie einen Testlauf mit reduzierten Parametern durch, um Fehler zu erkennen, bevor Sie die volle Bearbeitung durchführen.
8. Verschleiß überwachen: Überwachen Sie den Verschleiß des Werkzeugs während der Bearbeitung, um frühzeitig einen Austausch zu erkennen.

FAQ

1. Was ist der Unterschied zwischen trochoidalem und dynamischem Fräsen? Trochoidales Fräsen beschreibt die spiralförmige Bahn des Werkzeugs, während dynamisches Fräsen die Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit an den konstanten Spanlast beschreibt. In der Praxis werden die Begriffe oft synonym verwendet, da beide Verfahren die gleichen Grundprinzipien haben.

2. Kann ich trochoidales Fräsen auf jeder Maschine durchführen? Nein. Sie benötigen eine Maschine mit einer Steuerung, die die Bahnform und die Vorschubgeschwindigkeit automatisch anpassen kann, sowie eine ausreichende Spindelgeschwindigkeit und Genauigkeit. Maschinen mit einer maximalen Spindelgeschwindigkeit von weniger als 10.000 U/min sind nur bedingt geeignet.

3. Wie beeinflusst die Werkzeuglebensdauer die Kosten? Obwohl die Werkzeugkosten pro Einheit bei trochoidalem Fräsen oft niedriger sind (aufgrund der längeren Werkzeuglebensdauer), können die Programmierkosten höher sein, da die Bahnform komplexer ist. Sie müssen die Gesamtkosten (Werkzeug, Bearbeitungszeit, Programmierung) berücksichtigen, um die Wirtschaftlichkeit zu beurteilen.

4. Kann ich trochoidales Fräsen für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl verwenden? Ja. Trochoidales Fräsen eignet sich sehr gut für die Bearbeitung von gehärtetem Stahl, da die niedrigeren Kräfte und die geringere Wärmeentwicklung die Werkzeuglebensdauer deutlich erhöhen. Sie benötigen eine Maschine mit ausreichendem Spindeldrehmoment, wie die GA-MV856 oder die GA-UHD500.

5. Wie kann ich die Materialabtragsrate weiter erhöhen? Sie können die Materialabtragsrate erhöhen, indem Sie die radiale Eingriffsbreite, die axiale Eingriffstiefe oder die Schnittgeschwindigkeit erhöhen. Achten Sie jedoch darauf, dass die Kräfte und die Wärmeentwicklung nicht zu hoch werden, um den Werkzeugverschleiß nicht zu stark zu erhöhen. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung von Mehrspindelmaschinen wie der GA-MVD2560, die die Bearbeitungszeit halbieren können.

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