5-Achs-Simultanfräsen für Laufradgehäuse: Werkzeugwegstrategie und Kollisionsvermeidung

Was die simultane 5-Achs-Fräsbearbeitung tatsächlich in einem Laufradgehäuse bewirkt

Wenn ein Ingenieur nach einem 5-Achs-Laufradgehäuse fragt, meint er in der Regel einen Pumpendeckel, eine Turbinenverkleidung oder einen Verteiler für die Flüssigkeitsförderung mit geschlossenen Schaufeltaschen oder Hinterschneidungen, die ein 3-Achs-Fräser nicht erreichen kann. Die geometrische Anforderung, die eine 5-Achsen-Beweglichkeit erfordert, besteht darin, dass das Werkzeug senkrecht zu einer gekrümmten Oberfläche bleiben muss, während es sich entlang eines 3D-Pfades bewegt, der mit keiner einzelnen Ausrichtung erreicht werden kann.

Beim Drei-Achs-Fräsen werden die X-, Y- und Z-Achse linear bewegt, während die Werkzeugausrichtung fixiert bleibt. Das funktioniert für prismatische Teile und Taschen mit geraden Wänden. Bei Laufradgehäusen kann eine 3-Achs-Maschine die Oberfläche physikalisch nicht mehr erreichen, sobald sich eine Schaufelflanke unter der Nabe krümmt oder sich der Taschenhals unter den Werkzeugdurchmesser verengt.

Die 3+2-Achsen-Indexierungs-5-Achs-Maschine verfügt über einen Drehtisch (Neigung der A-Achse plus Drehung der C-Achse), der das Werkstück in einer festen Position fixiert. Die Maschine bearbeitet das Werkstück im 3-Achs-Modus aus dieser Position heraus, indexiert es anschließend und bearbeitet es erneut. Dies ist richtig für Laufradgehäuse mit mehreren offenen Flächen, aber ohne geschlossene Geometrie. Die Grenze: Das Werkzeug darf während des Schneidens seine Ausrichtung nicht ändern.

Bei der simultanen 5-Achsen-Bewegung werden alle fünf Achsen gleichzeitig bewegt: X, Y, Z linear plus A und C rotierend, wobei der Controller die Position jeder Achse gleichzeitig interpoliert. Dadurch ist es möglich, eine geschlossene Laufradschaufelflanke in einem einzigen Arbeitsgang zu schneiden, wobei das Werkzeug an jedem Punkt senkrecht zur Oberfläche steht.

FRIMA setzt für die Bearbeitung geschlossener Laufradgehäuse eine 5-Achs-Bearbeitungszentrumskonfiguration ein – siehe unsere 5-Achs-CNC-Fräsdienstleistungen Seite. Entscheidungsregel: Wenn die tiefste Werkzeugaufnahme einen Hinterschnitt oder einen Krümmungsradius von weniger als dem 1,5-fachen Werkzeugdurchmesser aufweist, ist eine simultane 5-Achs-Bearbeitung erforderlich. Andernfalls ist die 3+2-Achs-Bearbeitung schneller und kostengünstiger.

Warum Laufradgehäuse keine 3+2-Aufgabe sind: die Geometrie, die eine gleichzeitige 5-Achsen-Bearbeitung erzwingt

Am deutlichsten wird der Grund dafür, dass ein Laufradgehäuse eine simultane 5-Achsen-Bearbeitung benötigt, an der Geometrie der Schaufelflanke. Ein geschlossenes Schneidmesser weist drei Merkmale auf, die mit keiner indexierten 5-Achs-Anlage in einer Ausrichtung geschnitten werden können: eine gekrümmte Druckseitenflanke, eine gekrümmte Saugseitenflanke und eine Vorderkantenverrundung. Jede Oberfläche erfordert, dass sich das Werkzeug beim Bewegen entlang der Kurve kontinuierlich neigt.

Beim Bearbeiten dieser Flanke mit einer 3+2-Indexierungsanordnung treten drei Fehlerquellen auf. Die Werkzeugausrichtung ist während des gesamten Schnitts fixiert, sodass das Werkzeug nur an einem Punkt senkrecht zur Oberfläche stehen kann – was an anderen Stellen zu einer wellenförmigen Oberfläche führt. Der Halter kollidiert mit der Mantelwand, da die fixierte Werkzeugausrichtung ihn in die Tasche drückt. Die Oberflächengüte zwischen den Indexierungsdurchgängen weist bei jeder Werkzeugumorientierung eine sichtbare Stufe auf.

Wenn die Schaufelflankenkrümmung in Richtung Nabe-Mantel 30 Grad Drehung senkrecht zur Oberfläche überschreitet, muss das Teil gleichzeitig auf 5 Achsen gefräst werden. Unterhalb dieser Schwelle stößt die 3+2-Indexbearbeitung an die Oberflächentoleranz. Oberhalb überschreitet die Welligkeitshöhe der Indexbearbeitung 0,05 mm, was der maximal zulässigen Stufe an einer Laufradschaufelflanke entspricht.

Impellergehäuse aus Aluminium 6061-T6 sind das am besten geeignete Material für die simultane 5-Achs-Bearbeitung, da die Spanbelastung gering ist und sich das Werkstück nur minimal durchbiegt. Bei Laufradgehäusen aus Titan 6Al-4V verlängert sich die Zykluszeit um das 4- bis 6-Fache, da der Eingriff der Schneidwerkzeuge zur Wärmeableitung reduziert werden muss und die Werkstückspannung steifer sein muss, um ein Durchbiegen zu verhindern.

FRIMA's CNC-gefräste Aluminiumteile Die Fertigungstoleranzen liegen bei ± 0,005 mm für Aluminium-Laufradgehäuse – die praktische Grenze für die simultane 5-Achs-Bearbeitung in der Produktion. Engere Toleranzen erfordern in der Regel eine CMM-Prüfung und manuelle Nachbearbeitung.

Werkzeugwegstrategie: 3 Durchgangstypen, die ein Überfahren der geschlossenen Schneidklingen verhindern

Drei Strategien decken 95 % der Arbeiten am Laufradgehäuse ab: Strömungslinienreinigung, trochoidale Flachbodenreinigung und stiftförmige Reinigung an engen Innenecken. Die falsche Reihenfolge beim Mischen der Komponenten führt dazu, dass die Zykluszeit das Budget überschreitet.

Die Werkzeugwege der Flowline folgen der Richtung der Oberflächenkrümmung. Entlang der Schaufelkurve verläuft eine Strömungslinie von der Vorderkante zur Hinterkante, wobei der Schneidkopf bei jedem Schritt senkrecht zur Oberfläche steht. Dies ergibt die beste Oberflächengüte, da der Eingriff der Schneidwerkzeuge konstant bleibt. FRIMA verwendet standardmäßig die Strömungslinien-Schnittführung für die primäre Schaufelflanke an jedem Laufradgehäuse.

Die trochoidale Flachbodenreinigung dient der Reinigung des Nabenbereichs und des Taschenbodens. Der Fräser folgt einer kreisförmigen oder trochoidalen Bahn, die einen konstanten radialen Eingriff gewährleistet, wodurch höhere Vorschubgeschwindigkeiten als bei einer parallelen Abwärtsbahn möglich sind. Bei tiefen Nabentaschen entfernt die trochoidale Reinigung das Rohmaterial 30-40% schneller als die parallele Reinigung bei geringerem Wärmeeintrag.

Die Bleistift-Reinigungsfunktion bewältigt enge Innenecken und kleine Radien. Ein Bleistiftpfad ist ein Fräser mit kleinem Durchmesser, der entlang einer Innenecke verläuft, die der Fließlinienfräser nicht erreichen kann. Bei Laufradgehäusen ist am Schaufelfuß, wo die Vorderkantenverrundung auf die Nabenverrundung trifft, eine Bleistiftkorrektur erforderlich. Wird dieser Schritt ausgelassen, bleibt eine 0,2–0,5 mm breite Markierung zurück.

Zuerst die Flowline-Technik an der Schaufelflanke anwenden, dann die Trochoidenreinigung im Nabenbereich durchführen und anschließend die Bleistiftbearbeitung an den inneren Ecken vornehmen. Eine Umkehrung der Reihenfolge verdoppelt die Zykluszeit für den Bleistiftdurchgang und birgt das Risiko eines Messerbruchs.

Kollisionsvermeidung: 4-Achsen-Hüllkurvenberechnung vs. 5-Achsen-Hüllkurvenberechnung für geschlossene Laufradtaschen

Die Kollisionshüllkurve ist das vom Werkzeughalter überstrichene Volumen, nicht nur das des Schneidwerkzeugs, und die Form der Hüllkurve ändert sich mit jedem Grad Drehung um die A- und C-Achse. Ein 6-mm-Kugelfräser hat einen 25 mm langen Schaft und einen typischerweise 50–60 mm langen Halter mit einem Durchmesser von 31–45 mm. Die Hülle ist ein Zylinder mit einer Kugel am Ende, nicht nur die 6-mm-Kugel selbst.

Bei einem 6-mm-Kugelfräser mit einem 31-mm-Aufnahmehalter ist die Kollisionshüllkurve eine Kugel mit 31 mm Durchmesser, die entlang jedes Punktes des Werkzeugwegs gestrichelt wird. Bei einem Taschendurchmesser von 60 mm beträgt der seitliche Spielraum an der Öffnung 14,5 mm. Dieser Spielraum verringert sich beim Einfahren des Werkzeugs in die Tasche. Bei einer Neigung der A-Achse um 30 Grad und einem 50-mm-Aufnahmehalter verschiebt sich der Bearbeitungsbereich seitlich um 25 mm.

Bei einer Neigung von 30 Grad und einer 50-mm-Halterung sinkt der effektive Abstand auf etwa 4-5 mm. Bei einem Abstand unter 8-10 mm befinden Sie sich in der Gefahrenzone, in der jede Abweichung vom Werkzeugweg zu einer Kollision mit dem Halter führt.

Lässt die Geometrie der Aussparung keinen Freiraum von 8-10 mm zu, ist das Teil auf einer 5-Achs-Maschine mit einem Halter in Standardlänge nicht bearbeitbar. FRIMA hat Aufträge abgelehnt, bei denen die Geometrie der Kundentasche weniger als 5 mm Spielraum mit dem kleinsten verfügbaren Halter ließ.

Führen Sie eine Kollisionssimulation durch, bevor irgendein Stahlteil das Werkstück berührt. Laden Sie dabei das tatsächliche Werkzeughaltermodell und nicht nur das Schneidwerkzeug. Eine Simulation, die mit der Werkzeughüllkurve allein erfolgreich ist, kann in der Produktion dennoch an der Halterhüllkurve scheitern.

Warum die Oberflächenrauheit Ra ≤ 0,8 µm wichtiger ist als die Toleranz für die Laufradleistung

Für die Leistung des Laufrads ist die Oberflächenrauheit wichtiger als die Maßtoleranz, da die Oberflächenbeschaffenheit der Schaufelflanke den Reibungsverlust im Fluidweg direkt beeinflusst. Eine Änderung der Oberflächenrauigkeit (Ra) von 1,6 Mikrometer gegenüber Ra 0,4 Mikrometer an der Flanke eines Laufradschaufelblatts kann den Wirkungsgrad der Pumpe um 3-5% verändern.

Die Standardoberflächengüte nach einem Durchflussdurchgang mit einem 6-mm-Kugelkopffräser bei 0,3 mm Zustellung auf 6061-T6 beträgt Ra 0,8 bis 1,6 Mikrometer und ist für die meisten industriellen Pumpen- und Gebläseanwendungen ausreichend. FRIMA gibt Ra 0,8 Mikrometer als Standardwert und Ra 1,6 Mikrometer als Ausweichwert an.

Die Kompetenz von FRIMA im Bereich der Medizintechnik umfasst das 5-Achs-Präzisionsfräsen mit einer Oberflächenrauheit von Ra 0,2 Mikrometer oder besser unter Verwendung von konischen Kugelfräsern und Zustellungen von 0,1-0,2 mm. Für dieses Oberflächenfinish ist ein zweiter Feinschliffdurchgang mit einer anderen Fräsergeometrie erforderlich.

Ein Schlichtgang bei einer Oberflächenrauheit von Ra 0,2 Mikrometer dauert bei gleicher Geometrie 3-4x länger als bei einer Oberflächenrauheit von Ra 0,8 Mikrometer, da sowohl die Zustellung als auch die Vorschubgeschwindigkeit abnehmen. Bei Serienfertigungen ist dies ausschlaggebend für die Kostenentscheidung hinsichtlich der benötigten Oberflächenbeschaffenheit.

Unser Liste der CNC-Ausrüstung Die Spezifikationen umfassen die von uns für die Bearbeitung von Laufradgehäusen eingesetzten 5-Achs-Bearbeitungszentren, einschließlich des Spindeldrehzahlbereichs und der Steuerungsfunktionen, die die in der Produktion erreichbare Oberflächengüte bestimmen. Diese Funktionen sind vorhanden, die Kosten steigen jedoch mit den Anforderungen an die Oberflächengüte.

5-Achs-Werkstückspannung für Laufradgehäuse: 4 Spannstrategien und ihre Grenzen

Eine ungeeignete Spannstrategie kann das Werkstück unter der Belastung des Fräsers verformen und zu einer Geometrie außerhalb der Toleranz führen, selbst wenn die Maschine und der Werkzeugweg perfekt sind. Für Arbeiten an Laufradgehäusen gibt es vier gängige Befestigungsstrategien.

Dreibackenfutter eignen sich für Laufräder mit offener Nabe und zentraler Bohrung oder Welle. Das Spannfutter gewährleistet eine Rundlaufgenauigkeit innerhalb von 0,02 mm, was für Laufräder mit offener Nabe ausreichend ist. Die Grenze: Die Seitenkraft des Fräsers drückt das Werkstück aus der Mitte. Bei tiefen, geschlossenen Taschen kann die Durchbiegung das Werkstück außerhalb der Toleranz bringen.

Vakuumvorrichtungen eignen sich für dünnwandige Gehäuse und Pumpendeckel. Durch das Vakuum wird das Werkstück flach gegen eine Spannplatte gedrückt, wodurch eine gleichmäßige Unterstützung der Rückseite und ein guter Zugang des Fräsers zur Vorderseite gewährleistet wird. Die Grenze liegt im Vakuumdruck: 0,8 bar halten einer Seitenbelastung des Fräsers von etwa 0,08 MPa stand, was für die Endbearbeitung von Aluminium ausreicht, aber nicht für die Schruppbearbeitung von Titan.

Tombstones (Palettenvorrichtungen) eignen sich für die Serienfertigung. Ein Grabstein besteht aus mehreren Teilen auf mehreren Seiten, daher schneidet die 5-Achs-Maschine in einer einzigen Aufspannung eine Seite mehrerer Teile. Bei Serien über 50 Stück amortisieren sich die Grabsteine ​​durch die Reduzierung der Zykluszeit.

Zapfen mit vierter Achse eignen sich für symmetrische Drehgehäuse. Ein Zapfenlager ist ein Drehtisch mit vier Achsen, der es dem Werkstück ermöglicht, sich während des Schneidprozesses kontinuierlich zu drehen. Bei Laufradnaben und rotationssymmetrischen Bauteilen ermöglicht ein Zapfen die vollständige 360°-Schaufelformung in einer Aufspannung. Begrenzung: Zapfen sind maximal für Bauteildurchmesser von 300–400 mm geeignet.

FRIMA verwendet 4-achsige Zapfen für rotationssymmetrische Werkstücke mit geschlossener Nabe und Grabsteinlager für Serienfertigungen mit offener Werkstückoberfläche. Die Auswahl der Vorrichtung erfolgt im Rahmen der DFM-Prüfung, bevor mit dem Zuschnitt des Stahls begonnen wird.

Senden Sie Frank Ihre STEP-Datei für das Laufradgehäuse: Was muss für eine sofortige DFM-Überprüfung enthalten sein?

Wenn Sie eine Zeichnung oder STEP-Datei eines Laufradgehäuses haben und sich zwischen einer 3+2-indexierten 5-Achs-Bearbeitung und einer simultanen 5-Achs-Bearbeitung entscheiden müssen, ist der schnellste Weg, die Datei direkt an Frank zu senden. Eine sofortige DFM-Prüfung eines Laufradgehäuses dauert etwa 30 Minuten, sobald uns die STEP-Datei, die Materialspezifikation und die Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit vorliegen. Sie beantwortet die Frage, ob das Teil überhaupt bearbeitbar ist, bevor Sie eine Bestellung aufgeben.

Bitte fügen Sie der E-Mail vier Angaben bei. Erstens: die STEP- oder IGES-Datei der Geometrie des Laufradgehäuses. Zweitens: die Materialspezifikation (Aluminium, Titan, Edelstahl oder andere). Drittens: die geforderte Oberflächenrauheit der Schaufelflanken (Standard: Ra 0,8 µm, Zielwert für Medizin/Luft- und Raumfahrt: Ra 0,2 µm). Viertens: die jährliche Produktionsmenge oder die Anzahl der Prototypen. Mit diesen vier Angaben können wir Ihnen innerhalb eines Werktages ein Preisangebot, eine Lieferzeit und eine Empfehlung für die Vorrichtung unterbreiten.

Die DFM-Überprüfung deckt typischerweise drei Dinge auf. Zunächst ist zu prüfen, ob die Geometrie der Tasche einen Freiraum von 8-10 mm für den Halter des benötigten Fräsers zulässt. Zweitens, ob die geforderte Oberflächengüte mit dem Standardfräser erreicht werden kann oder ein zweiter Bearbeitungsgang erforderlich ist. Drittens, ob die Spannstrategie für die Bauteilgeometrie geeignet ist oder eine Sondervorrichtung benötigt wird. Jeder dieser Punkte ist ein Kostentreiber, der im Angebot erscheint. Daher spart die Klärung dieser Punkte vor der Bestellung beiden Seiten Zeit.

Häufig gestellte Fragen zum 5-Achs-Fräsen von Laufradgehäusen