Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung von 3D-Formkörpern aus Massivholz mittels Kugelfräswerkzeugen und 5-Achs-Bearbeitungszentren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Forschungsvorhaben galt es zunächst kritische Schnittrichtungen und deren Einfluss auf die Oberflächengüte bei ausgewählten weichen und harten Holzarten zu finden. Auf Basis dieser Untersuchungen wurde die Holzsorte Kiefer für weitere Untersuchungen in den Fokus gesetzt. Vorallem die Schnittrichtung C mit Schnitt gegen die aufsteigenden Jahrringe stellt an die Zerspanung besondere Herausforderungen an das Werkzeug und die gewählten Einsatzparameter. Anschließend wurden zweckmäßige zerspanungstechnische Standardbedingungen ausgewählt. Dafür wurde deren Einfluss auf die Oberflächengüte, die Schnittkräfte und den Werkzeugverschleiß untersucht. Auf Basis dieser Untersuchungen wurden die Standardbedingungen festgeschrieben, die bei den weiterführenden Untersuchungen zum Einfluss der Werkzeuggeometrie eingesetzt werden. In einem weiteren Schritt wurden grundlegende Untersuchungen zum Einfluss der Schneidengeometrie auf die Bearbeitungsqualität und Zerspanungskräfte bei der Bearbeitung von Freiformflächen mit einem Stirnfräswerkzeug durchgeführt. Es gelang mit Hilfe sorgfältiger Materialauswahl, für jede Messreihe nahezu gleich bleibende Materialbedingungen zu schaffen. Der Schneidenradius der Stirnschneide wurde zwischen 50 mm und 800 mm variiert. In den Versuchen erzeugten der größte und kleinste Schneidkantenradius die besten Ergebnisse. Mit der flexibleren Einsatzmöglichkeit des Radius R = 50 mm wurde dieser dem fast geraden Schneidkantenradius mit dem Radius R = 800 mm vorgezogen. Die Untersuchung der Schneidenwinkel zeigte, dass die optimalen Werte für die Span-, Keil- und Freiwinkel entsprechend 20°, 55° und 15° sind. Dabei wurde die Wirkung jedes einzelnen Winkels separat untersucht. Die Untersuchung des Neigungswinkels der Stirnschneide zeigte, dass der Neigungswinkel einen bedeutenden Einfluss auf die Bearbeitungsqualität hat. Zudem wurde festgestellt, dass es für den Neigungswinkel Grenzbereiche gibt. Diese Grenzbereiche wurden anhand eines Modells analytisch näher untersucht. Dabei wurde ein Zusammenhang zwischen Voreilwinkel, Neigungswinkel der Stirnschneide und Werkzeugdurchmesser erkannt. Der qualitätsbildende Arbeitspunkt an der Stirnschneide wird vom Voreilwinkel bestimmt und der dort vorherrschende effektive Neigungswinkel ist für die Oberflächenqualität ausschlaggebend. Der optimale effektive Neigungswinkel im qualitätsbildenden Arbeitspunkt liegt bei λ*≈15°. Durch eine gezielte Kombination von Neigungs- und Voreilwinkel kann dieser Punkt mit einem effektiven Neigungswinkel von 15° beliebig auf der Schneidkante positioniert werden. Jedoch sind bei der Auswahl des Neigungs- und Voreilwinkel, weitere Faktoren zu beachten; so sind für eine optimale Oberflächenqualität eine möglichst lange Stirnschneide und hohe Schnittgeschwindigkeit sinnvoll. Durch die Optimierung der Schneidenwinkel ist eine Verringerung der Welligkeit möglich. Die in Vorschubrichtung gemessene Rauheit und die quer zur Vorschubrichtung ermittelte Welligkeit verhalten sich divergent, sodass für eine optimale Oberflächenqualität in alle Richtungen eine möglichst kleine Schnittbreite gewählt werden soll. Weiterhin wurde der Einsatz der Versuchsparameter zur Fertigung dreidimensionaler Oberfläche ebenfalls untersucht. Die Gültigkeit der zugrunde gelegten Standardprüfbedingungen wurde schließlich erneut mit den optimierten Werkzeugparametern überprüft. Die durchgeführten Untersuchungen stellen eine wichtige wissenschaftliche Grundlage für die Entwicklung von Werkzeugen zur Bearbeitung von Freiformflächen aus Massivholz dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 5-Achs-Bearbeitung von Massivholz. In HOB – Die Holzbearbeitung, Heft 5, 2010, S. 67-70
Heisel, U., Tröger, J., Enßle, M., Ivanova, S.
- 5-Achs-Bearbeitung von Massivholz: Grundlagenuntersuchungen zur Herstellung von 3D-Formkörpern aus Massivholz mittels Kugelfräswerkzeugen und 5-Achs-Bearbeitungszentren – Einfluss der zerspanungstechnischen Parameter auf Bearbeitungsqualität, Schnittkräfte und Verschleiß (Teil 2). In HOB – Die Holzbearbeitung, Heft 9, 2010, S. 68-71
Heisel, U., Tröger, J., Ivanova, S.
- Fundamental investigations for optimizing the geometry of face milling cutters. In: Proceedings zu der 20th International Wood Machining Seminar, 7.-10. Juni, 2011 Skelleftea, Schweden
Heisel, U.; Ivanova, S.
- Fundamental investigations for optimizing the geometry of face milling cutters. Vortrag 20th International Wood Machining Seminar, 7.-10. Juni, 2011 Skelleftea, Schweden
Ivanova, S.
- Kugelfräswerkzeuge für 5-Achs-Bearbeitungszentren zur Herstellung von 3D-Formkörpern aus Massivholz. In: Berichte aus der Holzbearbeitung, Institut für Werkzeugmaschinen, 2011
