HPC Bearbeitung

HPC-Bearbeitung – High Performance Cutting

Die HPC-Bearbeitung, abgekürzt für High Performance Cutting, ist eine leistungsorientierte Zerspanungsstrategie. Ihr Hauptziel besteht darin, innerhalb möglichst kurzer Zeit ein großes Werkstoffvolumen zuverlässig abzutragen. Im Mittelpunkt stehen daher ein hohes Zeitspanvolumen, kurze Bearbeitungszeiten und eine wirtschaftliche Nutzung der verfügbaren Maschinenleistung.

HPC kommt vor allem beim Schruppen von Bauteilen zum Einsatz. Die Bearbeitungsstrategie wird unter anderem beim Fräsen, Bohren und Drehen verwendet. Besonders verbreitet ist der Begriff jedoch im Zusammenhang mit leistungsfähigen VHM-Fräsern und Wendeschneidplattenwerkzeugen.

Was bedeutet HPC-Bearbeitung?

Bei der HPC-Bearbeitung werden Werkzeug, Maschine und Schnittparameter so aufeinander abgestimmt, dass ein hoher Materialabtrag erreicht wird. Dazu werden abhängig von Werkstoff und Bearbeitungsaufgabe vergleichsweise hohe Vorschübe, große Zustellungen oder größere Eingriffsbreiten eingesetzt.

Entscheidend ist nicht nur eine hohe Schnittgeschwindigkeit. Vielmehr soll die vorhandene Spindelleistung möglichst produktiv in Zerspanungsleistung umgesetzt werden.

Der Werkzeughersteller Seco beschreibt HPC-Anwendungen als Bearbeitungssituationen, bei denen hohe Zeitspanvolumen auf Maschinen mit ausreichender Leistung erzielt werden. Im Vergleich dazu arbeitet HSC häufig mit höheren Drehzahlen und geringeren Eingriffstiefen. Seco Tools: Werkzeugaufnahmen und Bearbeitungsstrategien

Ziele der HPC-Bearbeitung

Die wichtigsten Ziele des High Performance Cutting sind:

• hoher Materialabtrag,
• großes Zeitspanvolumen,
• kurze Hauptbearbeitungszeiten,
• wirtschaftliche Nutzung der Maschinenleistung,
• zuverlässige Spanbildung und Spanabfuhr,
• reproduzierbare Bearbeitungsergebnisse,
• möglichst lange und berechenbare Werkzeugstandzeiten,
• Reduzierung der Fertigungskosten pro Bauteil.

Eine erfolgreiche HPC-Bearbeitung setzt voraus, dass nicht nur der Fräser, sondern die gesamte Prozesskette für die auftretenden Belastungen ausgelegt ist.

Zeitspanvolumen bei der HPC-Bearbeitung

Eine wichtige Kenngröße ist das Zeitspanvolumen. Es beschreibt das Werkstoffvolumen, das innerhalb einer bestimmten Zeit abgetragen wird.

Beim Fräsen lässt es sich vereinfacht berechnen:

Q = ap × ae × vf

Dabei bedeuten:

• Q: Zeitspanvolumen,
• ap: axiale Schnitttiefe,
• ae: radiale Eingriffsbreite,
• vf: Vorschubgeschwindigkeit.

Werden ap und ae in Millimetern sowie vf in Millimetern pro Minute eingesetzt, ergibt sich Q zunächst in Kubikmillimetern pro Minute. Für die Angabe in Kubikzentimetern pro Minute wird das Ergebnis durch 1.000 geteilt:

Q = ap × ae × vf ÷ 1.000

Berechnungsbeispiel

Ein Fräser arbeitet mit folgenden Werten:

• axiale Schnitttiefe ap = 10mm,
• radiale Eingriffsbreite ae = 4mm,
• Vorschubgeschwindigkeit vf = 1.500mm/min.

Daraus ergibt sich:

Q = 10 × 4 × 1.500 ÷ 1.000

Q = 60cm³/min

Das Werkzeug trägt unter diesen Bedingungen theoretisch 60cm³ Werkstoff pro Minute ab.

Berechnung der Vorschubgeschwindigkeit

Die Vorschubgeschwindigkeit ergibt sich aus der Drehzahl, der Anzahl der wirksamen Schneiden und dem Zahnvorschub:

vf = n × z × fz

Dabei bedeuten:

• vf: Vorschubgeschwindigkeit in mm/min,
• n: Spindeldrehzahl in 1/min,
• z: Anzahl der Schneiden,
• fz: Vorschub je Zahn in mm.

Die Spindeldrehzahl kann aus Schnittgeschwindigkeit und Werkzeugdurchmesser berechnet werden:

n = 1.000 × vc ÷ (π × D)

Dabei stehen vc für die Schnittgeschwindigkeit in m/min und D für den Werkzeugdurchmesser in Millimetern.

Die tatsächlich zulässigen Werte hängen vom Werkzeug, vom Werkstoff, von der Beschichtung, von der Auskraglänge und von der verfügbaren Maschinenleistung ab. Herstellerangaben sollten deshalb als Ausgangspunkt für die Festlegung der Schnittwerte verwendet werden.

Anforderungen an HPC-Fräser

HPC-Fräser müssen hohe mechanische und thermische Belastungen aufnehmen können. Ihre Geometrie wird deshalb auf einen leistungsfähigen Materialabtrag und eine zuverlässige Spanabfuhr abgestimmt.

Typische Merkmale sind:

• stabiler Werkzeugkern,
• belastbare Schneidkanten,
• werkstoffgerechte Spanräume,
• optimierte Drallwinkel,
• ungleiche Schneidenteilung zur Verringerung von Schwingungen,
• leistungsfähige Beschichtung,
• definierte Schneidkantenpräparation,
• geeignete Stirngeometrie,
• gute Wärme- und Verschleißbeständigkeit.

Je nach Anwendung kommen Vollhartmetallfräser oder Fräswerkzeuge mit Wendeschneidplatten zum Einsatz. HPC-Fräser sind für Stahl, Edelstahl, Aluminium, Gusseisen und weitere Werkstoffgruppen in jeweils angepassten Ausführungen erhältlich.

Hersteller wie Hoffmann beschreiben HPC-Fräser als Werkzeuge für hohe Zerspanungsleistungen und ein optimiertes Zeitspanvolumen. Werkzeuggeometrie und Beschichtung werden dabei an die jeweilige Werkstoffgruppe angepasst. Hoffmann Group: HPC-Fräser für Edelstahl

Anforderungen an Maschine und Werkzeugaufnahme

Die hohen Prozesskräfte der HPC-Bearbeitung stellen besondere Anforderungen an die Werkzeugmaschine. Eine hohe Spindeldrehzahl allein reicht dafür nicht aus.

Wichtig sind insbesondere:

• ausreichende Spindelleistung,
• hohes Drehmoment,
• steifer Maschinenaufbau,
• spielfreie Achsantriebe,
• stabile Werkstückspannung,
• leistungsfähige Werkzeugaufnahme,
• geringer Rundlauffehler,
• kurze Werkzeugauskragung,
• zuverlässige Kühlschmierstoffzufuhr,
• ungehinderter Spanabtransport.

Die Werkzeugaufnahme muss das Werkzeug auch bei hohen Kräften sicher halten. Ein zu großer Rundlauffehler führt zu einer ungleichmäßigen Belastung der Schneiden und kann die Werkzeugstandzeit deutlich reduzieren.

Leistungsfähige Fräsfutter besitzen deshalb eine hohe Spannkraft und einen möglichst geringen Rundlauffehler. Seco nennt bei seinen Power Milling Chucks beispielsweise Rundlaufwerte von bis zu 5µm bei einer Messlänge von 3 × D. Seco Tools: Power Milling Chucks

Unterschied zwischen HPC und HSC

HPC und HSC verfolgen unterschiedliche Schwerpunkte.

HPC – High Performance Cutting:

• Schwerpunkt auf hoher Zerspanungsleistung,
• großes Zeitspanvolumen,
• vergleichsweise große Zustellungen,
• hohe Vorschubgeschwindigkeiten,
• hohe Anforderungen an Drehmoment und Maschinensteifigkeit,
• häufig für Schruppbearbeitungen eingesetzt.

HSC – High Speed Cutting:

• Schwerpunkt auf hoher Schnittgeschwindigkeit,
• sehr hohe Spindeldrehzahlen,
• häufig kleinere Zustellungen,
• geringere Spanquerschnitte,
• hohe dynamische Anforderungen an Maschine und Steuerung,
• häufig für Konturen, Freiformflächen und Schlichtbearbeitungen eingesetzt.

Die Begriffe schließen sich nicht vollständig gegenseitig aus. Moderne Bearbeitungsprozesse können sowohl hohe Schnittgeschwindigkeiten als auch hohe Zerspanungsleistungen erreichen. Der Unterschied liegt hauptsächlich im jeweiligen Prozessschwerpunkt.

Unterschied zwischen HPC und trochoidalem Fräsen

Beim klassischen HPC-Fräsen wird häufig mit einer hohen Eingriffsbreite und einer leistungsorientierten Zustellung gearbeitet. Dadurch können erhebliche Schnittkräfte und ein hoher Leistungsbedarf entstehen.

Beim trochoidalen Fräsen beziehungsweise TPC wird dagegen meist eine große axiale Schnitttiefe mit einer vergleichsweise kleinen radialen Eingriffsbreite kombiniert. Das Werkzeug bewegt sich entlang gekrümmter oder schleifenförmiger Werkzeugbahnen. Dadurch bleibt der Umschlingungswinkel kontrollierbar und die Werkzeugbelastung wird gleichmäßiger.

Trochoidales Fräsen bietet Vorteile bei:

• tiefen Nuten,
• großen Auskraglängen,
• schwer zerspanbaren Werkstoffen,
• begrenzter Spindelleistung,
• dynamischen CNC-Maschinen,
• gleichmäßiger Werkzeugbelastung.

HPC und TPC können sich ergänzen. Einige moderne Fräser sind deshalb sowohl für leistungsorientierte HPC-Bearbeitungen als auch für trochoidale Strategien geeignet.

Vorteile der HPC-Bearbeitung

Bei einer korrekt ausgelegten Bearbeitung bietet HPC verschiedene wirtschaftliche Vorteile:

• kürzere Bearbeitungszeiten,
• hohe Produktivität,
• schneller Werkstoffabtrag,
• geringere Maschinenkosten pro Bauteil,
• effizientere Schruppbearbeitung,
• gute Ausnutzung leistungsfähiger Werkzeugmaschinen,
• planbare Fertigungsabläufe,
• geringere Stückkosten bei Serienbauteilen.

Die Vorteile entstehen jedoch nur, wenn Werkzeug, Maschine, Spannung und Schnittwerte zueinander passen.

Mögliche Nachteile und Risiken

Eine ungeeignete HPC-Strategie kann Werkzeug und Maschine stark belasten. Mögliche Probleme sind:

• Werkzeugbruch,
• Schneidkantenausbrüche,
• starke Wärmeentwicklung,
• unzureichende Spanabfuhr,
• Vibrationen und Rattern,
• hohe Spindelbelastung,
• Überlastung der Werkzeugaufnahme,
• Bewegung des Werkstücks in der Spannung,
• schlechte Oberflächenqualität,
• vorzeitiger Werkzeugverschleiß.

Die Bearbeitungsparameter dürfen deshalb nicht pauschal von einem anderen Werkzeug oder einer anderen Maschine übernommen werden.

Typische Anwendungsbereiche

Die HPC-Bearbeitung wird unter anderem eingesetzt für:

• Schruppen von Stahlbauteilen,
• Bearbeitung von Edelstahl,
• Aluminiumzerspanung,
• Fertigung von Maschinenbauteilen,
• Werkzeug- und Formenbau,
• Luft- und Raumfahrtbauteile,
• Automobilindustrie,
• Serienfertigung,
• Taschen und Absätze,
• Plan- und Eckfräsbearbeitungen.

Bei schwer zerspanbaren Werkstoffen müssen Schneidstoff, Beschichtung, Spanbildung und Kühlschmierstoffversorgung besonders sorgfältig berücksichtigt werden.

Auswahl geeigneter Schnittwerte

Die Schnittwerte für eine HPC-Bearbeitung müssen auf den konkreten Bearbeitungsfall abgestimmt werden. Wichtige Einflussgrößen sind:

• Werkstoff und Werkstofffestigkeit,
• Werkzeugdurchmesser,
• Anzahl der Schneiden,
• Schneidenlänge,
• Werkzeugauskragung,
• Werkzeugbeschichtung,
• radiale Eingriffsbreite,
• axiale Schnitttiefe,
• Spindelleistung,
• Maschinensteifigkeit,
• Werkstückspannung,
• Kühlschmierstoffversorgung.

Die Schnittwertempfehlungen des Werkzeugherstellers bilden einen geeigneten Ausgangspunkt. Neue Prozesse sollten zunächst mit kontrollierten Werten eingefahren und anschließend schrittweise optimiert werden.

Fazit

Die HPC-Bearbeitung ist eine leistungsorientierte Zerspanungsstrategie für hohe Zeitspanvolumen und kurze Bearbeitungszeiten. Sie eignet sich besonders für produktive Schruppbearbeitungen auf leistungsfähigen und steifen Werkzeugmaschinen.

Für einen stabilen Prozess müssen Fräser, Werkzeugaufnahme, Maschine, Werkstückspannung und Schnittwerte genau aufeinander abgestimmt werden. Eine hohe Zerspanungsleistung darf nicht allein durch eine unkontrollierte Erhöhung von Vorschub oder Zustellung angestrebt werden.

Richtig eingesetzt ermöglicht High Performance Cutting einen schnellen Materialabtrag, eine wirtschaftliche Maschinennutzung und deutlich verkürzte Fertigungszeiten.