Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie: die transformative Kraft der kundenspezifischen CNC-Bearbeitung

1931 stellte der Deutsche Dr. Carl Salom erstmals die Theorie des Hochgeschwindigkeits-Strahlschneidens vor. Seitdem hat die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie eine lange Entwicklungsgeschichte durchlaufen. Von der theoretischen Forschung und Erkundung über die angewandte Grundlagenforschung bis hin zur angewandten Forschung befindet sie sich nun in der Entwicklungs- und Anwendungsphase.

Im Zuge der Weiterentwicklung werden kontinuierlich Schlüsseltechnologien optimiert. So hat beispielsweise die Hochgeschwindigkeitsspindeltechnologie seit der Präsentation von Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen auf der 11. Internationalen Werkzeugmaschinenmesse in Japan 1982 deren Anzahl jährlich deutlich erhöht. Die Spindeldrehzahl stieg von anfänglich über 10.000 U/min auf heute 100.000 U/min und mehr. Zu den Schlüsseltechnologien der Hochgeschwindigkeitsspindel zählen Keramiklager und Ölnebelschmierung. Heutzutage sind Werkzeugmaschinenspindelsysteme mit dn-Werten über 1,5 × 10⁶ nahezu ausschließlich mit Keramiklagern ausgestattet.

Die Fortschritte bei der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits- und Hochbeschleunigungsvorschubsystemen sind ebenfalls herausragend. Der Einsatz von großkalibrigen Leitspindeln und die Entwicklung des Direktantriebs von Linearmotoren erfüllen die Anforderungen an die Vorschubsystemleistung von Werkzeugmaschinen ohne Antrieb und gewährleisten hohe Positioniergenauigkeit, Wiederholgenauigkeit und dynamische Ansprechgeschwindigkeit.

Die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie weist in den verschiedenen Phasen der CNC-Sonderanfertigung unterschiedliche Entwicklungscharakteristika auf. Anfänglich stand die theoretische Erforschung im Vordergrund, doch mit dem technologischen Fortschritt zeigten sich zunehmend Vorteile in der praktischen Anwendung. Heute findet die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Formenbau und anderen Branchen und spielt auch im Bereich der CNC-Sonderanfertigung eine immer wichtigere Rolle.

Die Hochgeschwindigkeitsspindel hat dank fortschrittlicher Technologien wie Keramik- und Hydrostatiklagern kontinuierliche technologische Fortschritte erzielt. Keramiklager zeichnen sich durch hohe Härte, hohe Druckfestigkeit, gute Wärmeleitfähigkeit und Verschleißfestigkeit aus und verbessern so effektiv die Lebensdauer und Belastbarkeit der Hochgeschwindigkeitsspindel. Heutzutage verwenden fast alle Werkzeugmaschinenspindelsysteme mit einem dn-Wert über 1,5 × 10⁶ Keramiklager. Auch die Entwicklung von aerostatischen Spindeln und Spindeln mit Magnetlagerunterstützung hat neue Fortschritte bei Hochgeschwindigkeitsspindeln ermöglicht. Beispielsweise nutzt das Bearbeitungszentrum ASV-40 der japanischen Toshiba Machinery Company eine aerostatische Spindel mit einer Drehzahl von 80.000 U/min. Das Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentrum von Mori Seiki (ebenfalls Japan) verwendet eine Spindel mit Magnetlagerunterstützung und erreicht Drehzahlen von bis zu 40.000 U/min. Diese fortschrittlichen Spindeltechnologien verbessern Drehzahl und Genauigkeit erheblich und bieten eine solide Grundlage für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.

Hochgeschwindigkeits-Vorschubsysteme, die durch kontinuierliche Innovation und den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetrieben, Linearmotoren und anderen fortschrittlichen Technologien optimiert wurden, erzielen deutlich höhere Vorschubgeschwindigkeiten und Beschleunigungen. Die Vorschubgeschwindigkeit von Hochgeschwindigkeits-Kugelgewindetrieben erreicht bis zu 60 m/min, üblicherweise liegen die Werte jedoch bei 20–30 m/min. Der Einsatz von Linearmotoren revolutionierte die Hochgeschwindigkeits-Vorschubsysteme. Linearmotoren eliminieren Spiel und elastische Verformungen des mechanischen Antriebssystems, reduzieren die Reibung und weisen nahezu kein Rückwärtsspiel auf. Sie zeichnen sich durch hohe Beschleunigungs- und Verzögerungswerte aus, wobei die Beschleunigung bis zu 2 g erreichen kann – das 10- bis 20-Fache herkömmlicher Antriebe. Die Vorschubgeschwindigkeit ist dabei 4- bis 5-mal höher. Der Linearmotorantrieb bietet die Vorteile einer hohen Schubkraft pro Flächeneinheit, ermöglicht die einfache Realisierung von Hochgeschwindigkeitsbewegungen und ist wartungsfrei. Der Einsatz dieser Technologien erfüllt die Anforderungen an schnelle Bewegungen und präzise Positionierung von Werkzeugmaschinen und gewährleistet zuverlässiges Hochgeschwindigkeitsschneiden.

Schneidwerkzeuge spielen eine entscheidende Rolle beim Hochgeschwindigkeitsschneiden. Mit steigender Schnittgeschwindigkeit verändern sich Material, Geometrie und Struktur des Werkzeugkörpers erheblich. Gängige Werkstoffe für Hochgeschwindigkeitsschneidwerkzeuge sind derzeit polykristalliner Diamant (PCD), kubisches Bornitrid (CBN), Keramik, Ti(C,N)-Basiskeramik, beschichtete Werkzeuge (CVD), ultrafeinkörniges Hartmetall usw. Diese Werkstoffe zeichnen sich durch hohe Hitzebeständigkeit, Temperaturwechselbeständigkeit, gute mechanische Eigenschaften bei hohen Temperaturen und hohe Zuverlässigkeit aus. Gleichzeitig muss das Werkzeugsystem beim Hochgeschwindigkeitsschneiden die Anforderungen an hohe geometrische Genauigkeit, hohe Wiederholgenauigkeit der Spannpositionierung, Spannsteifigkeit, gute Balance sowie Sicherheit und Zuverlässigkeit im Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfüllen. Um die durch die hohe Rotationsgeschwindigkeit entstehenden Zentrifugalkräfte zu minimieren, die Sicherheitsanforderungen beim Hochgeschwindigkeitsschneiden zu erfüllen und die Spannvorrichtung des Werkzeugs zu optimieren, ist eine möglichst geringe Werkzeugmasse erforderlich.

Die Optimierung der Prozessparameter beim Hochgeschwindigkeitsschneiden ist eine der Schlüsseltechnologien, die dessen Anwendung einschränken. Da es sich beim Hochgeschwindigkeitsschneiden um ein neues Bearbeitungsverfahren handelt, mangelt es an Referenzanwendungen sowie an Datenbanken mit praktischen Schnitt- und Bearbeitungsparametern. Daher ist es notwendig, eine neue Programmiermethode zu entwickeln und anzuwenden, um die Schnittdaten an die Leistungskennlinie der Hochgeschwindigkeitsspindel anzupassen und die Vorteile des CNC-Hochgeschwindigkeitsschneidens voll auszuschöpfen. Die Entwicklung und Anwendung der Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie hängt von der umfassenden Weiterentwicklung von Schlüsseltechnologien wie Hochgeschwindigkeitsspindel, Hochgeschwindigkeits-Vorschubsystem und Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeugen ab. Nur durch die Koordination dieser verschiedenen Technologien lassen sich hohe Effizienz, Präzision und Zuverlässigkeit beim Hochgeschwindigkeitsschneiden erreichen.

Die Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie bietet zahlreiche Vorteile beim CNC-Hochgeschwindigkeitsfräsen von Hohlkörpern aus Aluminiumlegierungen. Erstens steigert sie die Bearbeitungseffizienz erheblich. CNC-Hochgeschwindigkeitsschneiden ermöglicht einen 5- bis 10-fach höheren Vorschub als beim konventionellen Schneiden, wodurch die Abtragsrate pro Zeiteinheit um das 3- bis 6-Fache erhöht werden kann. Dies ist von großer Bedeutung für die CNC-Bearbeitung von Hohlkörpern aus Aluminiumlegierungen und kann die Bearbeitungszeit deutlich verkürzen. Zweitens gewährleistet sie die Bearbeitungsqualität. Im Vergleich zum konventionellen Schneiden kann die Schnittkraft beim Hochgeschwindigkeitsschneiden um mindestens 30 % reduziert werden, wodurch die Verformung minimiert wird. Der Hochgeschwindigkeits-Schneidprozess ist schnell, die Schnittwärme ist mit über 95 % sehr gering, sodass es nicht zu Verformungen durch Temperaturanstieg kommt. Daher eignet sich das Verfahren besonders für die Bearbeitung von Teilen, die zu Wärmeverformung neigen. Hinsichtlich der Werkzeugauswahl und der Vorschubgeschwindigkeit kann die Schnittgeschwindigkeit eines Vollhartmetall-Schaftfräsers für die Bearbeitung von Aluminiumlegierungsteilen in der Regel 1000 m/min erreichen. Bei Verwendung des D8-Schaftfräsers beträgt die Spindeldrehzahl 18.000 U/min, der Schruppvorschub 6.000 mm/min und der Schlichtvorschub 2.000–3.000 mm/min. Die Wahl des Schlichtvorschubs hängt von der Steifigkeit des Werkstücks und den Anforderungen an die Oberflächenqualität ab. Bei leistungsstarken Werkzeugmaschinen können Schnittgeschwindigkeit und Vorschub entsprechend erhöht werden.

In der Fertigung findet die Hochgeschwindigkeitsbearbeitungstechnologie vielfältige Anwendung. Ein typisches Beispiel für die Schruppbearbeitung: Zunächst wird ein 5-Zoll-Planfräser mit TiAl-beschichteter Schneide verwendet. Die Spindeldrehzahl beträgt 450–500 U/min, der Vorschub 150–175 Zoll/min und die Schnitttiefe 0,050 Zoll. Dabei entstehen große Mengen an Spänen. Nach der Schruppbearbeitung wird der Großteil des Werkstücks zur Wärmebehandlung extern bearbeitet. Die Schlichtbearbeitung beginnt unmittelbar nach der Rückkehr des Werkstücks, üblicherweise mit einem 2-Zoll-Kugelkopffräser bei 2000 U/min und einem Vorschub von 125–150 Zoll/min. Beim Profilfräsen mit einer oszillierenden Fräsbewegung beträgt der Schnittabstand maximal 0,125 Zoll. Beim Zickzackfräsen werden ähnliche Drehzahlen und Vorschübe verwendet, die Schnitttiefe beträgt 0,020–0,050 Zoll, und es kann ein kleiner Fräskopf mit 2,5 Zoll Durchmesser zum Einsatz kommen. Zusätzlich können kleinere Werkzeuge zum Anfasen verwendet werden.

Hochgeschwindigkeitsbearbeitung stellt besondere Anforderungen an CNC-Systeme. Da Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit bei Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen deutlich erhöht sind, muss das CNC-System über eine ausreichend hohe Rechen- und Datenverarbeitungskapazität verfügen. Der Vorschubservomechanismus muss eine stufenlose Einstellung in einem weiten Drehzahlbereich ermöglichen und den Widerspruch großer Systemfolgefehler bei hohen Vorschubservogeschwindigkeiten kompensieren können. Das CNC-System muss kurze Servozyklen und eine hohe Auflösung aufweisen und die Bahn der Maschine überwachen sowie eine Kurveninterpolation durchführen können.

Aktuell bestehen einige Probleme bei CNC-Systemen für Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Erstens ist die Architektur geschlossen, was die Skalierbarkeit und Kompatibilität des Systems einschränkt. Zweitens ist die Integration mit CAM unzureichend, was zu einer weniger reibungslosen und effizienten Programmierung und Bearbeitung führt. Darüber hinaus weisen die Interpolatoren und Vorschubregler von CNC-Systemen Einschränkungen auf. Die Interpolationsgenauigkeit muss verbessert und die Vorsteuerungsfunktion sowie eine große Anzahl erweiterter Programmsegmente genutzt werden. Zusätzlich können Kontursteuerungstechnologien wie NURBS-Interpolation, Rückstoßbeschleunigung, glatte Interpolation, Glockenbeschleunigung und -verzögerung eingesetzt werden. Der Vorschubregler muss den hohen Beschleunigungs- und Reaktionsanforderungen der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung besser gerecht werden.

Edelstahlbauteile sind beim Hochgeschwindigkeitsschneiden der Kaltverfestigung ausgesetzt, was zahlreiche Bearbeitungsprobleme mit sich bringt. Aufgrund unterschiedlicher mechanischer Eigenschaften und chemischer Zusammensetzung variiert die Schwierigkeit der CNC-Bearbeitung je nach Edelstahlsorte. Hohe thermische Festigkeit und Zähigkeit lassen sich beim CNC-Hochgeschwindigkeitsschneiden nur schwer überwinden, und der durch die Schnittverformung entstehende Energieaufwand ist beträchtlich. Die Tiefe der Kaltverfestigungsschicht kann von einigen zehn bis zu mehreren hundert Mikrometern reichen. Die durch den vorherigen Schnittvorgang hervorgerufene Kaltverfestigung wirkt sich negativ auf den nachfolgenden Schnitt aus, und die hohe Härte der Kaltverfestigungsschicht führt zu besonders schnellem Werkzeugverschleiß.

Um das Problem der Kaltverfestigung zu lösen, kann man das richtige Werkzeug wählen, beispielsweise eine Schneidkantenform mit besonderer Schärfe. Eine gute Schärfe reduziert die durch Reibung mit dem Werkstück entstehende Wärme und beugt so der Kaltverfestigung vor. Gleichzeitig ist es notwendig, optimale Bearbeitungsbedingungen und die beste Kühlmitteleinstellung zu finden.

Die Anwendung von Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologien steht vor Herausforderungen wie starker Spanhaftung und geringer Wärmeleitfähigkeit. Beim CNC-Schneiden haften Späne leicht an der Werkzeugspitze und dem Schneidmesser an oder schmelzen dort, wodurch sich ein Spanwucher bildet. Dies führt zu einer Verschlechterung der Oberflächenrauheit des Werkstücks, erhöht die Vibrationen während des Schneidprozesses und beschleunigt den Werkzeugverschleiß. Zudem kann die beim Schneiden entstehende Wärme nicht rechtzeitig abgeführt werden, und selbst die gesamte Spanwärme wird nicht abgeleitet. Dadurch ist die Gesamtwärme des Werkzeugs höher als bei normalem Kohlenstoffstahl, sodass die Schneidkante bei hohen Temperaturen ihre Schneidleistung verliert.

Darüber hinaus mangelt es beim Hochgeschwindigkeitsschneiden als neuem Schneidverfahren an Referenzanwendungen und einer Datenbank mit praktischen Schnitt- und Bearbeitungsparametern. Dies erfordert ständige Tests und Untersuchungen in der Praxis, was die Bearbeitungszeit und -kosten erhöht.

Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie birgt aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit, Präzision und Oberflächenqualität ein großes Potenzial zur Steigerung der Produktionseffizienz. Erstens kann sie den Produktionszyklus deutlich verkürzen. Beispielsweise ermöglicht sie in der Automobilindustrie die schnelle Bearbeitung von Schlüsselkomponenten wie Motorblöcken und Getriebegehäusen, wodurch die Bearbeitungszeit erheblich reduziert und die Produktionseffizienz gesteigert wird. Laut Statistiken kann die Bearbeitungszeit von Autoteilen durch die Einführung dieser Technologie um 30 bis 50 % gesenkt werden. Zweitens senkt sie die Bearbeitungskosten. Da sie Schrupp-, Vorschlicht- und Schlichtbearbeitung ermöglicht, reduziert sie den Einsatz von Prozessen und Werkzeugen und senkt somit die Produktionskosten. Am Beispiel des Formenbaus lässt sich zeigen, dass Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie den Einsatz von EDM reduzieren, die Bearbeitungskosten senken und die Genauigkeit und Oberflächenqualität der Form verbessern kann. Darüber hinaus trägt sie auch zur Steigerung der Produktqualität bei. Beim Schneiden mit hoher Geschwindigkeit sind die Schnittkraft und die Vibration gering, es können sehr präzise Teile bearbeitet werden und die Oberflächenrauheit wird um 1 bis 2 Stufen reduziert, was den Anforderungen der modernen Fertigungsindustrie an hochpräzise Produkte entspricht.

Die Entwicklung der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie wird die Maschinenbauindustrie in Richtung höherer Effizienz, Präzision, Flexibilität und Nachhaltigkeit lenken. Einerseits fördert der Einsatz dieser Technologie den technologischen Fortschritt der Branche. Sie erfordert fortschrittliche Technologien wie Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen, Hochgeschwindigkeits-Werkzeuge und leistungsstarke numerische Steuerungssysteme. Deren Weiterentwicklung wird das technische Niveau der gesamten Maschinenbauindustrie anheben. Beispielsweise benötigt die Forschung und Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen fortschrittliche Spindel-, Vorschubsystem- und Konstruktionstechnologien. Fortschritte in diesen Bereichen ermöglichen die Bereitstellung modernerer Bearbeitungsanlagen für die Maschinenbauindustrie. Andererseits verbessert die Förderung der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie die Wettbewerbsfähigkeit der Maschinenbauindustrie. Angesichts des zunehmenden Wettbewerbs in der globalen Fertigungsindustrie kann diese Technologie die Produktqualität verbessern, Produktionskosten senken, Produktionszyklen verkürzen und Unternehmen Wettbewerbsvorteile verschaffen. Am Beispiel der Luft- und Raumfahrtindustrie lässt sich zeigen, dass die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie leichte Werkstoffe wie Aluminium- und Titanlegierungen verarbeiten kann, die Leistung und Sicherheit von Flugzeugen verbessert und die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen auf dem internationalen Markt steigert.

Zukünftig wird sich die Forschung im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Schneidtechnologie auf höhere Geschwindigkeit, höhere Präzision und intelligentere Steuerung konzentrieren. Bei Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschinen werden Spindeldrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit weiter optimiert und fortschrittlichere Spindel- und Vorschubsysteme entwickelt, um die Steifigkeit und Stabilität der Werkzeugmaschinen zu verbessern. Beispielsweise kann ein Spindelsystem mit Magnetschwebetechnik und aerostatischer Drucktechnologie Drehzahlen von über 100.000 U/min erreichen; ein Vorschubsystem mit Linearmotor und Rastermaß-Rückkopplungstechnologie beschleunigt bis zu 5 g und erreicht eine Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich. Bei Hochgeschwindigkeits-Schneidwerkzeugen werden fortschrittlichere Werkzeugmaterialien und Beschichtungstechnologien entwickelt, um Härte, Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit zu verbessern. So kann beispielsweise die Härte eines Werkzeugs durch Nanobeschichtung um das Zwei- bis Dreifache und die Verschleißfestigkeit um das Fünf- bis Zehnfache gesteigert werden. Im Bereich der numerischen Steuerungssysteme werden fortschrittlichere Programmiertechnologien und Steuerungsalgorithmen entwickelt, um die Rechengeschwindigkeit und Datenverarbeitungskapazität dieser Systeme zu erhöhen. Beispielsweise können numerische Steuerungssysteme, die künstliche Intelligenz und Big-Data-Analysetechnologien nutzen, die Schnittparameter automatisch an die Eigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe und Werkzeuge anpassen und so die Bearbeitungseffizienz und -qualität verbessern.

Auf Anwendungsebene wird die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie ihr Einsatzgebiet kontinuierlich erweitern und ein breiteres Anwendungsspektrum erreichen. Zum einen wird sie in der traditionellen Fertigungsindustrie verstärkt eingesetzt. Beispielsweise wird sie im Maschinenbau, der Automobilindustrie und der Luft- und Raumfahrtindustrie traditionelle Schneidverfahren schrittweise ersetzen und sich als Standardverfahren etablieren. Zum anderen wird die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie in aufstrebenden Fertigungssektoren Anwendung finden. So kann sie beispielsweise im 3D-Druck, der Mikro- und Nanotechnologie sowie der Medizintechnik mit anderen fortschrittlichen Fertigungstechnologien kombiniert werden, um die hochpräzise Bearbeitung komplex geformter Teile zu ermöglichen. Darüber hinaus wird sich die Hochgeschwindigkeitsschneidtechnologie in Richtung umweltfreundlicher Fertigung weiterentwickeln. Beispielsweise kann der Einsatz von Trockenschneid- und Mikroschmiertechnologien den Verbrauch von Kühlschmierstoffen reduzieren, die Umweltbelastung verringern und somit eine umweltfreundlichere Fertigung fördern.