Aluminium-Zerspanung mit bis zu 148 kW

Bavius Technologie mit Sitz im oberschwäbischen Baienfurt entwickelt und produziert Hochgeschwindigkeits-CNC-Anlagen für die hochvoluminöse Aluminium-Zerspanung. Das seit 2017 eigenständige, familiengeführte Unternehmen beschäftigt rund 120 Mitarbeitende und konzentriert sich auf Profil-Bearbeitungszentren PBZ sowie horizontale Bearbeitungszentren HBZ der Baureihe AeroCell.

Ausgangspunkt für einen besonderen Praxistest war die Anfrage eines amerikanischen Unternehmens aus der Aerospace-Branche. Gesucht wurde eine Anlage, die hohe Abtragsraten, Dynamik und Verfügbarkeit mit hoher Bearbeitungsqualität verbindet und damit für große Strukturbauteile aus Aluminium geeignet ist, wie aus der Mitteilung von Iscar hervorgeht.

„Ein amerikanisches Unternehmen aus der Aerospace-Branche war auf der Suche nach einer Anlage, die hohe Abtragsraten, Dynamik und Verfügbarkeit bei zugleich hoher Bearbeitungsqualität bietet, um große Strukturbauteile aus Aluminium zu fertigen“, erzählt Dominik Merz, Director Global Sales | Applications bei Bavius. „Eine perfekte Aufgabe für unsere HBZ AeroCell 160 I 400.“

Warum wurde die Werkzeugaufnahme zum Prüfstein?

Die AeroCell 160 I 400 verfügt über eine Hochleistungsspindel mit bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute. Im Dauerbetrieb S1 liefert sie 140 kW, in der Betriebsart S6 sind kurzfristig bis zu 175 kW abrufbar.

„Da die 140 Kilowatt schon bei 19.000 Umdrehungen pro Minute anliegen, können bereits im mittleren Drehzahlsegment hohe Leistungen abgerufen werden, was einige Vorzüge bietet“, erklärt Dominik Merz.

Bedenken hatte der US-Kunde allerdings bei der von Bavius standardmäßig eingesetzten Werkzeugaufnahme HSK-A63/80. Aus Erfahrung und Stabilitätsgründen bevorzugte er eine größere Aufnahme. Diese hätte jedoch die verfügbare Zerspanungsleistung eingeschränkt.

„Um 30.000 Umdrehungen fahren zu können, ist die AeroCell 160 mit einer HSK 63/80 Werkzeugaufnahme ausgestattet, die dank ihrer größeren Plananlageflächen auch bei langen Auskragungen die notwendige Stabilität ins Werkzeug bringt“, erklärt Stefan Diem, Anwendungstechniker bei Bavius. „Mit einer 100er-Aufnahme dagegen wären nur noch 20.000 Umdrehungen pro Minute möglich gewesen. Das war für Bavius zunächst keine Option und hätte die Vorzüge der Maschine eingeschränkt.“

Dominik Merz ergänzt: „Vor allem läuft die oft mehrere Stunden dauernde Bearbeitung solcher Teile zu 70 oder 80 Prozent mit kurzen Werkzeugen. Da macht sich bei der Produktion schnell bemerkbar, ob der Nutzer die volle Drehzahl und die volle Leistung nutzen kann.“

Um die Stabilität der kleineren Aufnahme auch mit langen Werkzeugen zu demonstrieren, vereinbarte Bavius mit dem Kunden einen Live-Test unter Realbedingungen in Baienfurt. In einen 600 × 780 × 500 mm großen Block aus der Aluminium-Knetlegierung EN-AW 7012 (AlZn6Mg2Cu) sollte eine 170 × 626 mm große und 260 mm tiefe V-förmige Tasche gefräst werden. Sie entspricht einer Geometrie, wie sie typischerweise bei Strukturbauteilen für die Luftfahrt vorkommt.

Iscar stellt das Werkzeugpaket zusammen

Für den Test holte Bavius seinen langjährigen Partner Iscar ins Boot. „Wir haben uns mit unserem langjährigen Partner Iscar in Verbindung gesetzt, um das optimale Werkzeugpaket fürs Schruppen und Schlichten zu schnüren“, führt Stefan Diem aus.

Michele Piccolantonio aus Beratung und Vertrieb Ausrüstungsprojekte, Calogero La Quatra, Produktspezialist Multi Master, Solid Carbide und PCD-Tools, sowie Anton Kress, Produktspezialist Fräsen, stimmten gemeinsam mit Bavius die Werkzeuge auf Aufgabe und Werkstoff ab.

„Aluminium lässt sich im Allgemeinen schnell und einfach zerspanen, es hat aber trotzdem seine Eigenheiten“, sagt Anton Kress. Für die Bearbeitung kommen hochpositive Systeme mit sehr scharfen, polierten Schneiden zum Einsatz. Sie sollen das Aufkleben des Spans auf Schneide und Oberfläche verhindern und einen prozesssicheren Betrieb ermöglichen. Zugleich entstehen geringere Schnittkräfte, was bei langen Werkzeugen Abdrängung und Vibrationen reduziert.

„Wichtige Auswahlkriterien waren deshalb unter anderem, dass wir weichschneidende Standard-Werkzeuge einsetzen, die die große Dynamik der Maschine unterstützen, hohe Drehzahlen erlauben und prozesssicher laufen, um die Verfügbarkeit der Anlage hochzuhalten“, sagt Michele Piccolantonio.

„Beim Schruppen sollten zudem sehr große Abtragsraten möglich sein – Stichwort Hochvolumenzerspanung – und beim Schlichten top Oberflächengüten“, ergänzt Anton Kress.

Das Ergebnis war ein Werkzeugpaket mit Fräsern aus den Iscar-Familien HELIALU, MegaAlu und MULTIMASTER.

Wie erreicht Bavius 14,5 l Abtrag pro Minute?

Für den schnellen Materialabtrag setzte Bavius HELIALU-Fräser mit zielgerichteter JHP-Kühlung und 50 mm Durchmesser ein. Beim Schruppen der Oberflächenkontur und des ersten Taschenbereichs kam ein 110 mm langes Monoblockwerkzeug mit vier Wendeschneidplatten und jeweils zwei helikalen Schneidkanten zum Einsatz.

Die umfangsgeschliffenen, 22 mm langen Schneidkanten besitzen einen hoch positiven Spanwinkel und polierte Spanflächen. Damit sollen sie weich schneiden und einen guten Spanfluss ermöglichen.

„Damit schruppten wir bei einer Spindeldrehzahl von 25.400 Umdrehungen pro Minute und konnten bis zu 148 Kilowatt an der Spindel ziehen“, freut sich Stefan Diem. „Bei einem Vorschub von 25.400 Millimetern pro Minute und einer Schnitttiefe von 16,5 Millimetern konnten wir bis zu 14,5 Liter Material pro Minute abheben.“

Für die tieferen Taschenbereiche verwendete Bavius HELIALU-Aufsteckfräser in Längen von 157, 207 und 257 mm mit 14er-Wendeschneidplatten. Dabei wurden Drehzahlen bis 28.000 Umdrehungen pro Minute, Leistungen bis 65 kW und Vorschübe bis 16.500 mm/min erreicht.

„Das war schon beeindruckend, wie die Maschine durch das Material gerauscht ist“, sagt Dominik Merz.

Lange MegaAlu-Fräser bearbeiten die tiefen Bereiche

Vier dreischneidige MegaAlu-Vollhartmetallfräser mit 25 mm Durchmesser und Längen von 5xD bis 8xD reduzierten anschließend die Eckradien von R50 beziehungsweise R25 auf R12,5. Gleichzeitig wurde die Tasche bis auf ihre Endtiefe von 260 mm geschruppt.

„Hierfür nutzen wir auch die einzigen Ausnahmen vom Standard. Die beiden Fräser in 7xD und 8xD sind Sonderwerkzeuge“, sagt Calogero La Quatra. „Besonderer Vorteil dieser dreischneidigen Alu-Spezialisten: Sie besitzen eine ungleiche Teilung und durch ihre besondere Schneidengeometrie ist der Prozess auch bei solch hohen Auskragungen nahezu vibrationsfrei.“

Die MegaAlu-Familie ist laut Iscar auf ein hohes Zeitspanvolumen und hohe Oberflächengüten ausgelegt. Die dreischneidigen Fräser verfügen über eine ungleiche Teilung. Hochglanzpolierte Spanräume sollen die Aufbauschneidenbildung reduzieren, während eine zentrale Kühlmittelbohrung auch in tiefen Kavitäten die Späneabfuhr und Temperaturkontrolle unterstützt.

Wie entsteht beim Schlichten die geforderte Oberfläche?

Bei Luftfahrtkomponenten ist neben dem Materialabtrag die Oberflächenqualität entscheidend. Für das Schlichten setzte Bavius auf aufschraubbare VHM-Kugelkopf- und Barrelfräser aus der MULTIMASTER-Familie. Die Werkzeuglängen lagen zwischen 155 und 293 mm.

Mit Spindeldrehzahlen zwischen 21.000 und 27.000 Umdrehungen pro Minute entstanden an Boden und Wänden der Tasche innerhalb weniger Minuten feine, riefenfreie Oberflächen mit Rautiefen von 6,5 µm.

Für den Taschenboden kam ein dreischneidiger EBA-Kugelkopffräser mit 16 mm Durchmesser und einem 8er-Radius zum Einsatz. Auf dem 200er-Schaft erreichte das Werkzeug eine Gesamtlänge von 280 mm.

Für die größeren Seitenflächen verwendete Bavius einen tropfenförmigen EOBA-Barrelfräser mit 16 mm Durchmesser, vier Schneidkanten und einem Profilradius von 75 mm auf dem 200er-Schaft.

„Dieser Barrelfräser schlichtet bis zu neunmal schneller als ein vergleichbarer Kugelkopffräser. Das liegt daran, dass der Radius als mathematischer Faktor dient und dementsprechend die Zeilensprünge um ein Vielfaches axial erhöht werden können“, erklärt Calogero La Quatra. „Und das bei geringer Drehzahl sowie unabhängig von Schnittparametern.“

Aluminium-Zerspanung besteht den Stabilitätstest

Nach drei Stunden waren rund 70 kg Material entfernt und die V-förmige Tasche in der geforderten Qualität gefertigt. Entscheidend war dabei nicht nur die Bearbeitungszeit, sondern auch der Nachweis, dass die langen Werkzeuge mit der kleineren Werkzeugaufnahme stabil arbeiten.

„Die Kombination aus dynamischer, starker Anlage und passendem Werkzeug sorgt für eine kürzere Bearbeitungszeit und erhöht die Produktivität deutlich“, fasst Stefan Diem das Ergebnis zusammen. „Und wie vorhergesagt, liefen auch die lang auskragenden Werkzeuge mit der 63/80er-Aufnahme absolut stabil und vibrationsfrei.“

Bavius verschärfte den Stabilitätstest anschließend nochmals. Mit einem 357 mm langen HELIALU-Fräser mit 50 mm Durchmesser wurde neben der V-Tasche eine weitere Kavität in den Aluminiumblock eingebracht. Der Vorschub betrug 8.100 mm/min, die Spindeldrehzahl 18.000 Umdrehungen pro Minute. Auch dieser Prozess lief laut Mitteilung prozesssicher.

„Der Testlauf hat alle Erwartungen übertroffen. Der Kunde war völlig überzeugt und so begeistert, dass er die Maschine am liebsten gleich mitgenommen hätte“, sagt Dominik Merz. „Durch das Zusammenspiel aus unserer dynamischen AeroCell und den innovativen Werkzeugen von Iscar konnten wir ihm eine effiziente Lösung bieten“.