Technische Information

Schnelles, konturgenaues Fräsen mit
hoher Oberflächengüte
Fertigungsprozesse im Werkzeug- und Formenbau sowie in der Luft- und Raumfahrttechnik lassen sich durch moderne Frästechnologien
wie HSC (High Speed Cutting) deutlich optimieren. Wirtschaftliche Vorteile können jedoch nur dann erreicht werden, wenn sowohl dieeingesetzten Werkzeugmaschinen als auch die Steuerung höhere Bahnvorschübe im Vergleich zur herkömmlichen Bearbeitung beherrschen.
Schnelle, konturgenaue Maschinenbewegungen erfordern eine sehr präzise Steuerung der Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge
entlang einer programmierten Bahn. Moderne Steuerungen müssen in der Lage sein, im Zielkonflikt zwischen Bearbeitungszeit, Oberflächenqualität und geometrischer Genauigkeit einen für die Fräsmaschine und den Fertigungsprozess optimierten Ansatz zu erreichen.
Endanwender benötigen darüber hinaus die Möglichkeit, das Fräsergebnis mit einfachen Parameteränderungen zu beeinflussen.
Die Bewegungsführung der CNC hat einen entscheidenden Einfluss auf die Optimierung von Bearbeitungszeiten bei gegebenen Anforderungen an die Genauigkeit und Oberflächengüte.

HSC im Formenbau: Anforderungen anSteuerungen für Werkzeugmaschinen
Die HSC-Technologie bietet viele neue Bearbeitungsmöglichkeiten für gehärtete undlegierte Werkzeugstähle. Neben dem klassischen Erodieren gewinnt daher das direkte HSC-Fräsen von Formen in harten
Werkstoffen an wirtschaftlicher Bedeutung.
Im Vergleich zur herkömmlichen Fräsbearbeitung liegt der wesentliche Vorteil derHSC-Bearbeitung in der Verteilung und Abfuhr der durch den Schneidprozess entstehenden Wärme. Hohe Schnittgeschwindigkeiten und Bahnvorschübe in Verbindung
mit kleinen Spantiefen ermöglichen, dassder Hauptanteil der Schnittwärme über die
Späne abgeführt wird.

Abbildung 1: Freiformbearbeitung (zweifach gekrümmte Fläche)September 2007

HSC-Bearbeitung– Voraussetzungen und Einflüsse

Mit den hohen Vorschubgeschwindigkeiten
der HSC-Bearbeitung entsteht zwangsläufig
die Forderung nach höheren Bahnbeschleunigungen an gekrümmten Werkstückkonturen. Damit geraten die mechatronischenEigenschaften einer Werkzeugmaschine
stark in den Vordergrund der Betrachtung.
Steigen die Beschleunigungen der Vorschubantriebe, so werden größere Beschleunigungskräfte in die Struktur einer
Werkzeugmaschine eingeleitet. Folglich
steigt auch das Risiko einer Anregung vonstörenden Maschinenschwingungen, welche zu Einbußen in der Oberflächenqualität
führen können. Die Steuerung benötigt daher eine Strategie der Bewegungsführung,welche gleichzeitig die Bearbeitungszeit
minimiert und eine optimierte Oberflächengüte unter Einhaltung vorgegebener Konturgenauigkeiten erreicht. Dabei muss dieSteuerung sowohl Herstellern als auch Anwendern von Werkzeugmaschinen Möglichkeiten zur Optimierung der Bewegungsführung bieten.
Für Maschinenhersteller ergibt sich die Anforderung, eine optimale Anpassung derSteuerung an die Eigenschaften der Maschine zu gewährleisten. Die Steuerungmuss hierzu ein klar gegliedertes Parametrierungskonzept für die Bewegungsführung
und für die Regelkreise der Vorschubmotoren aufweisen. Werkzeugmaschinen werden häufig an Hand der Breite des möglichen Teilespektrums bewertet. Für jede
Bearbeitungsaufgabe muss sichergestellt
werden, dass auch bei hochdynamischen
Bahnbewegungen keine Einbußen in derWerkstückoberfläche durch störende Maschinenschwingungen entstehen. Daher
muss der Abgleich zwischen Steuerung
und Maschine eine hohe Robustheit bezüglich der Bearbeitungsaufgabe gewährleisten.
Anwendern von Werkzeugmaschinen mussdie Steuerung Möglichkeiten bieten, auftragsbezogene Anforderungen bezüglich
Bearbeitungszeit und Werkstückgenauigkeit
zu berücksichtigen. Festgelegte Anforderungen müssen bereits im ersten Frästeilumgesetzt werden, ohne dass langwierige
Vorversuche durchlaufen werden. Die Anforderungen müssen im NC-Programm definiert werden, um einen festen Bezug zu
den Fertigungsaufträgen zu gewährleisten.
Um darüber hinaus die Fertigungszeiten
von Formen in einem akzeptablen Rahmen
zu halten, werden Freiformflächen häufig
mit Richtungsumkehr zwischen benachbarten Bahnen gefräst. Die Steuerung mussdabei reproduzierbare Werkzeugbahnen
beim Anfahren von Konturelementen ausentgegengesetzten Richtungen erzeugen.
Andernfalls ist mit Einbußen in der Oberflächenqualität zu rechnen.

Einfluss der Datenverarbeitung auf dieWerkstückgenauigkeit
Das Fertigen eines Bauteils mit spanabhebenden Verfahren erfordert zahlreiche Zwischenschritte, in denen die Daten der CADModellgeometrie in Werkzeugbahnenumgesetzt werden:• CAD (Computer Aided Design):
Die Werkstückkontur wird üblicherweise
mit NURBS abgebildet (Non uniform rational B-Splines). Mit NURBS lassen sich
Freiformflächen mathematisch beschreiben.
• CAM (Computer Aided Manufacturing):
Die Werkzeugbahnen werden punktweise unter Berücksichtigung der Frässtrategie und Werkzeugkorrekturen aus derCAD-Geometrie berechnet. Der voreingestellte Sehnenfehler (Modellgenauigkeit) bestimmt dabei den Abstand derPunkte.
• CNC (Computerized Numerical Control):Das NC-Programm wird punktweise in
Achsbewegungen und Geschwindigkeitsprofile umgewandelt. Dabei werden
Vorgaben zur Bahntoleranz berücksichtigt. Um hohe Oberflächengüten zu erreichen, müssen die Abweichungen zwischen benachbarten Fräsbahnen deutlichkleiner als die definierten Bahntoleranzen
bleiben.
• Mechatronik:Die Achsbewegungen liegen im festen
Zeitraster als Soll- und Ist-Bewegungenvor und werden über die Maschinengeometrie in Werkzeug- bzw. Werkstückbewegungen umgesetzt. Schleppfehler derVorschubachsen, Abweichungen von der
Sollgeometrie der Maschine, thermische
Einflüsse und Schwingungen in Gestellund Antrieben können die Werkstückgenauigkeit einschränken.

CAD

DesignBahngenerierung

CAM
Werkzeugkorrektur
NC-Programm-Interpreter
Bewegungsführung
CNC
ToleranzüberwachungGeschwindigkeitsprofile
Mechatronik

Vorschubregelung
Maschine und Antriebe

Im Hinblick auf die Optimierung von Bearbeitungszeiten, Oberflächenqualität undWerkstückgenauigkeit ergeben sich folgende Kernanforderungen an die CNC:
• Konturtoleranzen wirkungsvoll kontrollieren,• benachbarte Bahnen bei Richtungsumkehr genau reproduzieren,• Schwingungen bei hochdynamischen
Bewegungen effektiv vermeiden.
Für zweidimensionale Bahnbewegungenkönnen die Einflüsse der Datenverarbeitungskette auf die Werkstückgenauigkeit
mit einem Kreuzgitter-Messgerät KGM 182von HEIDENHAIN untersucht werden. DieEigenschaften der Bewegungsführung einer
HEIDENHAIN-Steuerung iTNC 530 werden
an Hand einer Vorführeinheit basierend aufeiner Gantry-Maschine veranschaulicht.
Das KGM dient dabei als Basis zur Bewertung der erzielbaren Konturgenauigkeit.

Schnell, genau, konturtreu– Hochgeschwindigkeitsfräsen mit der iTNC 530

Wirkungsvolle Kontrolle der Konturtoleranzen
NC-Programme für Freiformflächen werden
in der Regel mit einem CAM-System erstellt und bestehen aus einfachen Geradensätzen. HEIDENHAIN-Steuerungen glätten
automatisch die Satzübergänge, wodurch
das Werkzeug kontinuierlich auf der Werkstückoberfläche verfährt. Gesteuert wird
die automatische Glättung über eine interne Funktion zur Kontrolle der Konturabweichungen. Diese Funktion (Zyklus 32)
ermöglicht dem Anwender die zulässige
Konturabweichung beliebig zu definieren.
Voreingestellt ist ein Wert, den der Maschinenhersteller in einem Maschinenparameter in der Steuerung festlegt (typisch 0,01
bis 0,02 mm). Zusätzlich wirkt die Toleranzauch bei Verfahrbewegungen auf programmierten Kreisbögen.
Die Abweichung zur CAD-Modell-Geometrie kann bei Freiformflächen im ungünstigsten Fall aus der Summe der eingestellten
Konturtoleranz und dem im CAM-Systemeingestellten Sehnenfehler bestehen. DasErgebnis am Werkstück hängt schließlich
von den Gesamteigenschaften der Maschine und von den eingestellten Werten fürRuck und Beschleunigung der Vorschubachsen ab.
Die abgebildete Ecke des Werkstücks ergibt eine Kreisbahn für den Mittelpunkt
eines Kugelfräsers (TCP = Tool Center
Point, siehe Abbildung 2). Ohne Glättungder Sollbahndaten müsste die Y-Achse derMaschine im Überganspunkt schlagartig
beschleunigen. Der dadurch entstehende
Ruck regt die Maschine zu erheblichen
Schwingungen an. Zudem können üblicheAntriebe bedingt durch physikalische Grenzen keinen unendlichen Ruck generieren.
Ohne erweiterte Maßnahmen in der Bewegungsführung entstehen somit zwangsläufig Bahnabweichungen, welche je nachKrümmungsänderung und Bahngeschwindigkeit erhebliche Ausmaße annehmenkönnen.
Die Bewegungsführung der iTNC 530 erreicht eine Glättung des Rucks, wobei dievorgegebene Konturtoleranz auch bei starken Änderungen der Bahngeschwindigkeit
eingehalten wird. (Abbildung 3). Kann einegröbere Toleranzvorgabe gewählt werden,
so lassen sich Fertigungszeiten signifikant
verkürzen. Im gezeigten Beispiel verringert
sich die Bearbeitungszeit um etwa 12 %bei einer Vergrößerung der Konturtoleranz
von 0,01 mm auf 0,02 mm.

Ausschnitte

Kugelfräser

Werkstück
Werkzeugbahn(mit Radiuskorrektur)
Abbildung 2: TCP-Werkzeugbahn für einen Kugelfräser

3a: Toleranzvorgabe 0,01 mm[µm]
20100–10–203b: Toleranzvorgabe 0,02 mm[µm]
20100–10–20

Abbildung 3: Vergrößerte Darstellung der konturüberwachten Sollbahn vom TCP

Hohe Reproduzierbarkeit in benachbarten Bahnen mit Richtungsumkehr
Abbildung 4 zeigt einen Ausschnitt aus
einem Werkstück sowie die entsprechenden Liniensätze der TCP-Bewegung.
Beim Fräsen wurden benachbarte Bahnen
zeiteffektiv mit Vor- und Rückwärtsbewegungen bearbeitet (Abzeilen mit Richtungsumkehr). Die Einzelbahn besteht aus nurwenigen Geradensätzen mit sehr unterschiedlichen Längen. Der im CAM-Systemeingestellte Sehnenfehler beträgt 3 µm.

vorwärts
rückwärts

Abbildung 4: Werkstückkontur und zugehörige Liniensätze mit Vor- und Rückwärtsbewegung. Die eingezeichneten Punkte geben die Stützstellen im Programm an.

Abbildung 5 zeigt die vergrößerte Abweichung der Werkzeugbewegungen zur programmierten Kontur. Die Abweichungenbeziehen sich auf den idealen GeradenKreis-Übergang, wohingegen das NC-Programm (Abb. 4) aus Liniensätzen miteinem Sehnenfehler zum Modell von 3 µmbesteht. Der Sehnenfehler wirkt sich nur in
den gekrümmten Bereichen aus und überlagert die auf der CNC eingestellte Konturtoleranz. HEIDENHAIN-Steuerungen erreichen eine sehr hohe Reproduzierbarkeit inAbzeilbewegungen mit Richtungsumkehr(Abb. 5). Konturabweichungen zwischen
Vor- und Rückwärtsbahnen bleiben vernachlässigbar, wodurch eine sehr hohe Oberflächengüte der Werkstücke erreichbar ist.

Die Werkstückfotos in Abbildung 6 zeigen
die mit einer optimierten Bewegungsführung erreichbaren Unterschiede. Die dargestellten Freiformflächen entstanden durch
Abzeilen mit Richtungsumkehr (programmierter Vorschub 10 m/min, Schlichtaufmaß 0.1 mm). Die Oberflächenqualität desin Abb. 6a dargestellten Werkstücks ist
nicht akzeptabel. In dem in Abb. 6b dargestellten Bearbeitungsergebnis mit einer
iTNC 530 zeigt sich die hohe Reproduzierbarkeit benachbarter Bahnen.

vorwärts
rückwärts

[µm]
20100–10–20

Abbildung 5: Abweichung der Werkzeugbahn im gekrümmten Bereich der Werkstückkontur(Vorschub = 10 m/min, Toleranz = 0,01 mm).

6a6bAbbildung 6: Abzeilprozess mit Richtungsumkehr: Reproduzierbarkeit benachbarter Fräsbahnen
6a: Abweichungen zwischen benachbarten Bahnen führen zu einer schlechten Oberfläche
6b: Fräsergebnis mit einer iTNC 530: Gleichmäßige Oberfläche bei Vorwärts-/RückwärtsBewegungenEffektive Vermeidung von Schwingungen bei hochdynamischen Bewegungen
Die für die HSC-Frästechnologie benötigten
Vorschubgeschwindigkeiten stellen Werkzeugmaschinensteuerungen vor eine große
Herausforderung. Kurze Bearbeitungszeiten
lassen sich nur erzielen, wenn ein hoher
mittlerer Bahnvorschub erreicht wird. An
engen Radien der Fräsbahnen muss dieGeschwindigkeit jedoch drastisch reduziert
werden, um Bahnabweichungen innerhalb
des zulässigen Toleranzbandes zu halten.
Die Beschleunigungs- und Abbremsmanöver können darüber hinaus Gestellschwingungen verursachen, welche die Werkstückoberfläche negativ beeinträchtigen.
In der speziellen Bewegungsführung vonHEIDENHAIN-Steuerungen werden Ruck
und Beschleunigung geglättet. Dadurch
können Maschinenschwingungen sehrwirksam unterdrückt werden. Falls erforderlich, verringert die Steuerung den programmierten Vorschub automatisch, um
die Anregung von Schwingungen auf ein
Minimum zu reduzieren. Durch die effektive Vermeidung von Maschinenschwingungen lässt sich ein NC-Programm mit
sehr hoher Geschwindigkeit abarbeiten,
wodurch deutliche Vorteile in Bezug auf dieFertigungszeiten entstehen.
Abbildung 7 zeigt die Ist-Bewegungen einer Werkzeugmaschine bei Vorgabe einer
zweidimensionalen Kontur. Ohne Glättung
des Rucks werden Schwingungen in denBeschleunigungsphasen der Maschine angeregt (Abbildung 7a). Über die Bewegungsführung der eingesetzten iTNC 530
von HEIDENHAIN lassen sich Schwingungen effektiv vermeiden (Abbildung 7b).
Die in Abbildung 8 dargestellte Werkstückoberfläche zeigt die Vorteile der Bewegungsführung von HEIDENHAIN-Steuerungennoch einmal besonders deutlich. Die Bahnbewegung entlang des dargestellten Kreissegments erfordert in jedem Punkt eineAnpassung der Achsbeschleunigungen,wodurch im Regelfall Maschinenschwingungen angeregt werden (Abbildung 8a).
Über die Glättung des Rucks lässt sich mit
der iTNC 530 eine hohe Oberflächenqualität ohne störende Auswirkungen vonSchwingungen erzielen (Abbildung 8b).

7a

7bSollbahn
Istbahn

Sollbahn
IstbahnAbbildung 7: Gemessene Ist-Positionen, aufgenommen mit einem Kreuzgitter-Messgerät,
an einer verrundeten Ecke ohne (7a) und mit (7b) Lage-Sollwertfilterung der NC-Daten

8a8bAbbildung 8: Auswirkung von Maschinenschwingungen am Werkstück:
8a: Ohne Glättung des Rucks führt eine Schwingung in der Z-Achse zu Kerben in derOberfläche
8b: Die Bewegungsführung der iTNC 530 vermeidet gezielt Oberflächenprobleme durch
Schwingungen
Zusammenfassung
Fertigungsprozesse im Formenbau und in
der Luft- und Raumfahrttechnik werden
maßgeblich durch die HSC-Frästechnologie
bestimmt. Die benötigten Vorschubgeschwindigkeiten stellen Werkzeugmaschinensteuerungen vor eine große Herausforderung. Im Zielkonflikt zwischen
Bearbeitungszeiten, Konturgenauigkeiten
und Oberflächengüte stellt dieHEIDENHAIN-Steuerung iTNC 530 sicher,dass gewählte Präferenzen eingehalten
werden. Dazu werden die Bahnbewegungen so geplant, dass• Maschinenschwingungen vermieden,• Genauigkeitsanforderungen eingehaltenund• Bearbeitungszeiten minimiert werden.

Darüber hinaus erreicht die iTNC 530 einehohe Reproduzierbarkeit auf benachbarten
Fräsbahnen, so dass auch höchste Ansprüche an die Oberflächengüte über ein zeiteffektives Abzeilen mit Richtungsumkehr umsetzbar sind.
In der Abstimmung zwischen Steuerung,
Antrieben und Maschinengestell setzt die
iTNC 530 neue Maßstäbe. Auf diese Weiselässt sich in einem breiten Bauteilspektrum
bereits ab dem ersten Teil akzeptable Qualität fertigen.

Konsequent aufwärtskompatibel– zukunftssicher mit HEIDENHAIN-Bahnsteuerungen

Seit mehr als 25 Jahren liefert HEIDENHAIN
Bahnsteuerungen für Fräs- und Bohrbearbeitung. In diesem Zeitraum wurden dieSteuerungen kontinuierlich weiterentwickelt:
viele neue Funktionen kamen hinzu – auchfür komplexere Maschinen mit vielen Achsen. Das grundlegende Bedienkonzept blieb
jedoch unverändert. Der Facharbeiter, derbisher an einer Werkzeugmaschine mit TNC
arbeitet, muss nicht umlernen. Er wendet
auf der iTNC 530 sofort seine ganze TNCErfahrung an und programmiert und abeitet
wie gewohnt.
2004: iTNC 530
mit smarT.NC
2003: iTNC 530 mit
Windows 2000
2001: iTNC 530

1997: TNC 426 M
TNC 430
1993: TNC 426 C/P

Diese Bahnfunktionstasten der TNC 145
finden Sie auch auf der iTNC 530

1988: TNC 407
TNC 415

1987: TNC 355

1984: TNC 155

1983: TNC 150

1981: TNC 145, dieerste Bahnsteuerungvon HEIDENHAIN

Weitere Informationen:• Katalog Bahnsteuerung iTNC 530
DR. JOHANNES HEIDENHAIN GmbH
Dr.-Johannes-Heidenhain-Straße 583301 Traunreut, Germany{ +49 (86 69) 31-0
| +49 (86 69) 50 61
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