Technische Information

Dynamic Efficiency – effizient und prozesssicher­bearbeiten
Gerade die Schwerzerspanung – Schruppbearbeitung mit hoher Schnittleistung – aber auch die Bearbeitung schwer zerspanbarer Metalle
wie Titanlegierungen, Nickel-Basis-Werkstoffe oder rostfreier Stähle, wie sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie mittlerweile zum Standard
gehören, bietet hinsichtlich der effizienten Bearbeitung einiges an Potenzial. In der Schwerzerspanung geht es in erster Linie darum, inmöglichst kurzer Zeit möglichst viel Material abzutragen. Dabei können viele Komponenten des Bearbeitungsprozesses an ihre Grenzen
kommen. Eine umfassende Prozessbeherrschung ist daher bei dieser Form der Hochleistungszerspanung Grundvoraussetzung für Qualität
und Wirtschaftlichkeit. Durch die im Zerspanprozess auftretenden Kräfte werden Maschine und Werkzeug extrem belastet. Ziel muss esdeshalb sein, das Zeitspanvolumen zu optimieren, die Werkzeugstandzeit zu maximieren und die Maschinenbelastung zu minimieren.
Unter dem Begriff Dynamic Efficiency bietet HEIDENHAIN innovative TNC-Funktionen an, die den Anwender dabei unterstützen, die
die Prozesssicherheit in der Schwerzerspanung und Schruppbearbeitung zu erhöhen und somit effizienter zu gestalten. Dynamic Efficiency
umfasst drei Software-Funktionen:• ACC (Active Chatter Control) – Die Option reduziert die Ratterneigung und lässt damit größere Zustellungen zu• AFC (Adaptive Feed Control) – Die Option regelt den Vorschub abhängig von der Bearbeitungssituation• Wirbelfräsen – Zyklus zur werkzeug- und maschinenschonenden Schruppbearbeitung von Nuten und Taschen

Jede Funktion für sich bringt Vorteile für den
Bearbeitungsprozess. Sie lassen sich aberauch ideal miteinander kombinieren und erzielen so entscheidende Verbesserungen.
• Reduzierte Bearbeitungszeit durch­höheres Zeitspanvolumen (ACC, AFC,Wirbelfräsen)• Werkzeugüberwachung (AFC)• Höhere Werkzeugstandzeit (ACC,­Wirbelfräsen)Mit Dynamic Efficiency fertigen Sie schneller,
maschinen- und werkzeugschonend, insgesamt also effizienter und somit wirtschaftlicher.

September 2013

Dynamic Efficiency
Mehr Effizienz bei Schwerzerspanung und Schruppbearbeitung

Im Focus der Betrachtung von Dynamic­Efficiency stehen alle Prozesse mit hohen
Schnittkräften und hohem Zeitspanvolumen.
Darunter fallen Schruppprozesse im Allgemeinen aber auch die Bearbeitung schwer
zerspanbarer Materialien wie Titan, korrosionsbeständige Nickelbasislegierungen (z. B.
Inconel) und vieler anderer Werkstoffe, diewegen ihrer spezifischen Eigenschaften im
Werkzeug- und Formenbau, der Luft- undRaumfahrtindustrie, der Medizintechnik
und der Energietechnik eingesetzt werden.
Durch die bei der Bearbeitung auftretenden
Kräfte werden Maschine und Werkzeug extrem belastet. Die hohe Belastung äußertsich häufig durch prozessbedingte Vibrationen, die während der Bearbeitung auftreten. Ziel einer Verbesserung muss es deshalb sein, das Zeitspanvolumen zu erhöhen,gleichzeitig aber auch die Werkzeugstandzeiten zu verlängern und die Maschinenbelastung zu reduzieren.
Genau an diesen Punkten setzt­HEIDENHAIN mit Dynamic Efficiency an.

Unter dem Begriff Dynamic Efficiency
fasst HEIDENHAIN innovative TNC-Funktionen zusammen, die den Anwender dabei
unterstützen, die Schwerzerspanung und
die Schruppbearbeitung effizienter, aberauch prozesssicherer zu gestalten. Da essich um Software-Funktionen handelt, ist
kein Eingriff in die Maschinenmechanik notwendig. Dynamic Efficiency hilft dabei,
die Zerspanungsleistung zu erhöhen und
die Bearbeitungszeit zu senken.
Dynamic Efficiency umfasst drei Funktionen:• Active Chatter Control – Die Option ACC
reduziert die Ratterneigung und lässt damit größere Zustellungen zu• Adaptive Feed Control – Die Option AFCregelt den Vorschub abhängig von derBearbeitungssituation• Wirbelfräsen – Funktion zur werkzeugund maschinenschonenden Schruppbearbeitung von Nuten und Taschen2Jede Lösung für sich bietet dabei entscheidende Verbesserungen des Bearbeitungsprozesses. Besonders aber die Kombination dieser TNC-Funktionen nutzt das
Potenzial von Maschine und Werkzeug aus
und reduziert gleichzeitig die mechanische
Belastung. Auch wechselnde BearbeitungsBedingungen, wie unterbrochene Schnitte,verschiedene Material-Eintauchverfahrenoder einfaches Ausräumen zeigen, dasssich der Einsatz lohnt. Steigerungen desZeitspanvolumens von 20 bis 25 Prozent
sind in der Praxis möglich.
Dynamic Efficiency ermöglicht höhere
Zeitspanvolumina und dadurch eine gesteigerte Produktivität, ohne dass notwendigerweise auf Sonderwerkzeuge zurückgegriffen werden muss. Die Vermeidung vonWerkzeugüberlastungen und vorzeitigem
Schneidenverschleiß sowie der zusätzlicheGewinn an Prozesssicherheit tragen deutlich zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeitbei.

Zum Vergleich wird die gleiche Nut im­Wirbelfräsverfahren mit zugeschalteter
adaptiver Vorschubregelung AFC bearbeitet. Wirbelfräsen gilt zwar als besonders
werkzeug- und maschinenschonende Technologie, bringt jedoch für sich noch keine
großen Geschwindigkeitsvorteile. Hierwirkt sich AFC besonders vorteilhaft aus.
Bei den Luftschnitten des kreisförmigen
Fräsvorgangs erhöht AFC die Vorschubgeschwindigkeit deutlich und reduziert sie­automatisch wieder, sobald der Fräser ins
Material eintaucht. Somit erzielt Dynamic
Efficiency an diesem Bearbeitungsbeispiel
die beachtliche Zeiteinsparung.

Konventionelles Fräsen
1 Vollschnitte in vier Zustelltiefen
2 Teilschnitt
Bearbeitungszeit 96 sVorschub
VorschubMit einem deutlichen Effizienz-Plus lässt
sich rechnen, wenn das Wirbelfräsen mit
der adaptiven Vorschubregelung AFC kombiniert wird. Da sich das Werkzeug auf einer Kreisbahn ins Material bewegt, werden
Werkzeug und Maschine erheblich geringer
belastet. Es findet jedoch auf einem Teildieser Kreisbahn kein Eingriff statt. In dieser Situation bewegt AFC das Werkzeug
mit einem deutlich höheren Vorschub. Während des Bearbeitungsvorgangs mit dem
HEIDENHAIN-Zyklus summiert sich so ein
enormer Zeitgewinn auf.
Bearbeitungsbeispiel
Das Anwendungsbeispiel zeigt deutlich die
Vorteile von Dynamic Efficiency. Diese
Nut wird im Vergleich zur konventionellen
Bearbeitung mit Wirbelfräsen und zugeschaltetem AFC gefertigt.

Wirbelfräsen mit AFC
Bearbeitungszeit 58 sVorschub
VorschubBei der konventionellen Bearbeitung erfolgt in der Mitte der Nut ein Schnitt ins
volle Material. Aufgrund der technologischen Gegebenheiten (Material, Fräser)kann pro Schnitt nur ein Viertel der notwendigen Tiefe abgetragen werden. Wenn diegewünschte Tiefe erreicht ist, wird die Nutin einem Arbeitsgang auf die gewünschte
Breite erweitert (grüne Linie). Die Linienfarben geben Aufschluss über die erzielte Vorschubgeschwindigkeit.
Im Bearbeitungsbeispiel steigert Dynamic Efficiency die Produktivität im Vergleich zur konventionellen Fertigungsmethode um ca. 40 %.

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ACC
Aktive Ratter-Unterdrückung (Option)

Bei der Schruppbearbeitung (Leistungsfräsen) treten große Fräskräfte auf. Abhängig
von der Drehzahl des Werkzeugs, sowie
von den in der Werkzeugmaschine vorhandenen Resonanzen und dem Spanvolumen(Schnittleistung beim Fräsen) kann es dabei
zum sogenannten „Rattern“ kommen. Da
das Rattern sowohl die Maschine als auchdas Werkzeug extrem belastet, gilt es als
einer der Faktoren, die das Zeitspanvolumen begrenzen.
Grenzen des Zeitspanvolumens
Drei Hauptfaktoren begrenzen das auf einer
Fräsmaschine erreichbare Zeitspanvolumen
bei gegebenem Werkstoff: die thermischeund mechanische Stabilität des Werkzeuges,
die verfügbare Spindelleistung und das Auftreten von Rattern. Das Auftreten von Rattern an sich ist kein Zeichen für Mängel derMaschine. Bei ausreichender Werkzeug­
stabilität und Spindelleistung ist es als Begrenzung der Schnittleistung nicht zu verhindern.
Ursachen des Ratterns
Rattern bezeichnet eine dynamische Instabilität des Zerspanungsprozesses auf
Grund von auftretenden Schwingungenbeim Zerspanen. Beim Schruppen und hierinsbesondere bei der Bearbeitung schwer
zerspanbarer Materialien treten hoheSchnittkräfte auf. Diese periodisch auftretenden Kräfte führen zu einer Schwingungzwischen Werkzeug und Werkstück. Kommt
es jetzt zu einer Rückkopplung zwischender Schwingung und dem Schnittprozess,wird der Schwingung mehr Energie zugeführt, als die Reibung in Wärme umwandeln
kann. Die Schwingung wird angefacht, Rattern entsteht. Ob es zu einer Rückkopplung
kommt, hängt von verschiedenen Faktorenab, u. a. von der dynamischen Nachgiebigkeit der Maschine an der Werkzeugspitze(Tool Centre Point TCP), dem Werkzeug undden Schnittparametern.
Da es sich beim Rattern um eine selbsterregte Schwingung handelt, finden sich Ratterfrequenzen immer in der Nähe von Eigenfrequenzen der Maschine.
Konventionelle Maßnahmen
Rattern belastet Werkzeug und Maschineüber Gebühr. Deshalb wird es in der Regelvermieden. Das Auftreten der Ratterschwingungen hängt unter anderem vonder Wahl der Spanungsgrößen (Spanungsdicke, Spanungsbreite, Schnittgeschwindigkeit usw.) ab. Um es zu verhindern, müssen
in der Praxis die Schnittdaten (Schnitttiefe,Drehzahl und Vorschub) reduziert werden,
was wiederum zu einer sinkenden Produktivität führt.

Frästeil ohne ACC bearbeitet: Deutliche Rattermarken sind sichtbar.

4Vorteile von ACC
Mit der TNC-Option ACC (Active ChatterControl) bietet HEIDENHAIN eine wirkungsvolle Reglerfunktion zur Reduzierung
der Ratterneigung einer Maschine. ACC erhöht durch zusätzliche Dämpfung die mögliche Schnittleistung, ab der Rattern auftritt.
Bei der Schwerzerspanung wirkt sich ACC
besonders positiv aus:
• wesentlich bessere Schnittleistungen• höheres Zeitspanvolumen (bis zu 25 %und mehr)• geringe Kräfte auf das Werkzeug, dadurch höhere Standzeit• geringere Belastung für die Maschine• höhere Prozesssicherheit.
Wirkungsweise von ACC
Da es sich bei der aktiven Ratter-Unterdrückung ACC um eine reine Software-Lösung
handelt, sind keine Eingriffe in die Maschine
notwendig. Zusätzliche Systeme (z. B. Sensoren, Aktoren), die die Komplexität unddamit die Ausfallwahrscheinlichkeit des Gesamtsystems erhöhen, sind nicht erforderlich. ACC detektiert das Rattern über die inder Maschine vorhandenen Messsignale
der Antriebe und entzieht über die maschineneigenen Vorschubantriebe der Schwingung Energie.

Frästeil mit ACC bearbeitet: Bei gleichem Vorschub und gleicher Schnitttiefe
zeigt die Oberfläche keine Rattermarken. Die Bearbeitung erfolgte werkzeug- und maschinenschondend

Einsatz von ACC
ACC regelt in einem bestimmten Frequenzbereich unterhalb der Zahneingriffsfrequenz des Werkzeugs. Der Anwender definiert lediglich über das eingesetzte
Werkzeug, ob ACC aktiv wird. Da die jeweilige Werkzeug-Geometrie Auswirkungenauf die Schnittkräfte hat und somit die Eigenschaften der eventuell auftretenden
Ratterschwingungen mit bestimmt, kann
für jedes Werkzeug ein eigener Parametersatz angelegt werden. Zwischen den werkzeugspezifischen Parametersätzen wird
beim Werkzeugwechsel automatisch umgeschaltet.
Aufgrund unterschiedlicher Maschinen-Geometrien kann ACC vom Maschinen-Hersteller auch achsspezifisch für alle Vorschub­achsen getrennt parametriert werden.
Durch diese zusätzliche Parametrierungkann in bestimmten Fällen die Wirkung desACC-Algorithmus verbessert werden.

1000500

0-500-1000
0Schnittkräfte
beim Rattern

0.05

0.1

0.15

0.2

Zeit [s] Kraft [N] 

Auswirkungen in der Praxis
In Fräsversuchen an einer Vielzahl unterschiedlicher Maschinen mit unterschiedlichen Fräswerkzeugen konnte das Zeitspanvolumen deutlich erhöht werden (biszu 25 % und mehr), wenn Rattern als prozessbegrenzender Faktor auftrat. Durch dasVermeiden von Rattern werden außerdem
die auf das Werkzeug und die Maschine
wirkenden Kräfte erheblich kleiner. Diesvergrößert die Werkzeugstandzeit undwirkt sich positiv auf die Lebenszeit derMaschinenkomponenten (Hauptspindel,Führungen, Kugelgewindetriebe, Lager)
aus.

Kraft [N] Daraus ergeben sich aber auch Grenzen für
die mit ACC zu bekämpfenden Ratterphänomene. Die Vorschubantriebe können nur
in einem Frequenzbereich bis 100 Hz derRatterschwingung genügend Energie entziehen. Höherfrequente Schwingungenwerden nicht ausreichend bedämpft. In einzelnen Fällen können auch Ratterschwingung unterhalb 100 Hz nicht bedämpft werden, da sie sich beispielsweise auf die
Werkzeugseite beschränken, der Antrieb
aber tischseitig wirkt.

1000

5000-500-1000

Schnittkräfte
mit ACC

00.05

0.1

0.15

0.2Zeit [s] Bearbeitungs­
simulation

5AFC
Adaptive Vorschubregelung (Option)

Die Vorschubgeschwindigkeit bei einer
Fräsbearbeitung wird üblicherweise in Abhängigkeit vom bearbeiteten Material, dem
Fräser und der Schnitttiefe gewählt und fürden jeweiligen Fräsvorgang fest vorgegeben. Ändern sich während der Bearbeitung
die Schnittbedingungen, z. B. durch
schwankende Schnitttiefen, Werkzeugverschleiß oder Härteschwankungen des Materials, hat dies keinen Einfluss auf die Vorschubgeschwindigkeit. Dies kann zumEinen – z. B. bei abnehmenden Materialstärken – bedeuten, dass die Vorschubgeschwindigkeit partiell niedriger als möglichist. Somit liegt die Bearbeitungszeit höher
als nötig. Zum Anderen kann ein hoher
programmierter Vorschub – insbesondere
bei zunehmenden Abtragvolumina – zu einer übermäßigen Belastung der Spindel
und des Werkzeugs führen.
Vorteile von AFC
Die Option adaptive Vorschubregelung AFC(Adaptive Feed Control) von HEIDENHAIN
optimiert den Bahnvorschub abhängig vonSpindelleistung und weiteren Prozessdaten. AFC sorgt immer für den maximal
möglichen Vorschub und steigert so die Effizienz. Sie bietet eine Reihe von Vorteilen.

Optimieren der Bearbeitungszeit
Insbesondere bei Gussteilen treten mehroder weniger große Aufmaß- oder Materialschwankungen (Lunker) auf. Durch entsprechende Regelung des Vorschubs
wird die zuvor eingelernte maximale Spindelleistung während der gesamten Bearbeitungszeit eingehalten. Die Gesamtbearbeitungszeit wird durch Vorschuberhöhung
in Bearbeitungszonen mit weniger Materialabtrag verkürzt.
Werkzeugüberwachung
Die adaptive Vorschubregelung der TNCüberwacht permanent die beim aktuellen
Vorschub nötige Spindelleistung. Wird ein
Werkzeug stumpf, steigt die Spindelleistung an. In Folge davon reduziert die TNC
den Vorschub. Sobald ein eingestellter Mindestvorschub unterschritten wird, reagiert
die TNC durch Abschalten, Fehlermeldungoder Einwechseln eines Schwesterwerkzeugs. Dadurch lassen sich Folgeschäden
nach Fräserbruch oder Fräserverschleiß verhindern.

AFC passt die Vorschubgeschwindigkeit den unterschiedlichen Schrittbedingungen an.

6Schonen der Maschinenmechanik
Durch Reduzieren des Vorschubs bei Überschreitung der gelernten maximalen Spindelleistung bis zur Referenz-Spindelleistungwird die Maschinenmechanik geschont.
Die Hauptspindel wird wirksam gegenÜberlastung geschützt.
Funktionsweise
Die Anwendung ist einfach: Vor der Bearbeitung können in einer Tabelle maximale
und minimale Grenzwerte für die Spindelleistung festgelegt werden. Dazu zeichnet
die TNC in einem Lernschnitt die maximalauftretende Spindelleistung auf. Die adaptive Vorschubregelung vergleicht dannpermanent die Spindelleistung mit der Referenzleistung und versucht die Referenzleistung durch Anpassen des Vorschubs
während der gesamten Bearbeitungszeit
einzuhalten.

Wirbelfräsen
beliebige Konturnuten im Wirbelfräsverfahren herstellen

Werkzeuge und Maschinenstrukturen werden beim Fräsen in schwer zerspanbaren,da hochfesten oder gehärteten Werkstoffen besonders stark gefordert. Speziell
beim Schaftfräsen im Vollnutschnitt wirken
sehr hohe Kräfte, da Werkzeug und Werkstück einen Umschlingungswinkel von
180° bilden. Verbiegungen des Werkzeugs
und damit verbundene geometrische Fehler der Nut können die Folge sein. Um die
geforderte Genauigkeit der Bauteile erreichen zu können, wird die axiale Schnitttiefe
häufig auf den halben Werkzeugdurchmesser begrenzt. Tiefe Nuten müssen folglichzeitintensiv in mehreren Schnitten vorgeschruppt werden.

Vorteile des Wirbelfräsens
Beliebige Nuten werkzeug- und maschinenschonend komplett zu bearbeiten, ist
der Vorteil des Wirbelfräsverfahrens. Dabei
erfolgt der Schruppvorgang mit kreisförmigen Bewegungen, die zusätzlich mit einer linearen Vorwärtsbewegung überlagertsind.

Wirbelfräsen als Standardfunktion
Die herzustellende Nut wird in einem Kontur-Unterprogramm als Konturzug beschrieben. In einem separaten Zyklus definieren
Sie die Abmaße der Nut sowie die Schnittdaten. Das ggf. stehengebliebene Restmaterial lässt sich mit einem anschließenden
Schlichtschnitt einfach beseitigen.

Beim Wirbelfräsen kann mit großer Schnitttiefe bearbeitet werden, da durch die speziellen Schnittbedingungen keine verschleißsteigernden Einflüsse auf das Werkzeug
ausgeübt werden. Auf diese Weise lässt
sich meist die gesamte Schneidenlänge
nutzen, so dass ein höheres Spanvolumen
pro Zahn erzielt wird. Durch das kreisförmige Eintauchen ins Material wirken geringe radiale Kräfte auf das Werkzeug. Diesschont die Maschinenmechanik und verhindert das Auftreten von Schwingungen.
Kombiniert man diese Fräsmethode noch
mit der integrierten adaptiven Vorschubregelung AFC (Option), lässt sich eine enorme Zeiteinsparung erzielen.

Die Vorteile im Überblick:• gesamte Schneidenlänge im Eingriff• höheres Zeitspanvolumen (in Kombination mit AFC)
• Maschinenmechanik wird geschont• weniger Schwingungen• integriertes Schlichten der Seitenwand

Wirbelfräsen: beliebige Nuten hocheffizient bearbeiten

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HEIDENHAIN-Steuerungen

Steuerungen für Fräs-, Fräs-Dreh- undBohrmaschinen sowie Bearbeitungszentren
Die TNC-Steuerungen von HEIDENHAIN
bilden eine durchgängige Linie: Von der einfachen, kompakten 3-Achs- Streckensteuerung TNC 128 bis hin zur Bahnsteuerung
iTNC 530 (bis 18 Achsen plus Spindel) lässt
sich nahezu jeder Anwendungsfall abdecken. Mit der TNC 640 steht auch eineSteuerung für die Fräs-Dreh-Bearbeitung
zur Verfügung.
Die HEIDENHAIN-TNCs sind vielseitig:
werkstattgerecht in der Bedienung, aberauch extern programmierbar und somit für
die automatisierte Fertigung geeignet. Einfache Fräsbearbeitungen bewältigen sieebenso zuverlässig wie z. B. TNC 640 undiTNC 530 das Hochgeschwindigkeitsfräsen– mit besonders ruckgeglätteter Bewegungsführung – oder die 5-Achs-Bearbeitung mit Schwenkkopf und Rundtisch.
Innovative Steuerungsfunktionen zur hochgenauen und effizienten Bearbeitung fasst
HEIDENHAIN unter den Oberbegriffen
Dynamic Efficiency und DynamicPrecision zusammen.
Dynamic Efficiency unterstützt den
Anwender, die Schwerzerspanung unddie Schruppbearbeitung effizienter, aberauch prozesssicherer zu gestalten.
Dynamic Efficiency ist auf den Steuerungen TNC 640 und iTNC 530 verfügbar.
Dynamic Precision ermöglicht genauere
Werkstücke mit sauberen Oberflächen bei
schneller Bearbeitung, also hohe Präzision
bei hoher Produktivität. Die Software-Optionen von Dynamic Precision können Sie
mit TNC 640, iTNC 530 und TNC 620 nutzen.

TNC 640iTNC 530

TNC 620

TNC 640

iTNC530

TNC 620xxx

CTC – Kompensation von Positionsabweichungen durch Nachgiebigkeiten

OptionOptionOption

AVD – Aktive Schwingungsdämpfung

OptionOptionOption

PAC – Positionsabhängige Anpassung
von Regelparametern

OptionOptionOptionLAC – Lastabhängige Anpassung vonRegelparametern

OptionOptionOption

MAC – Bewegungsabhängige Anpassung von Regelparametern

OptionOptionOptionxx–ACC – Aktive Ratterunterdrückung

OptionOptionOptionAFC – Adaptive Vorschubregelung

OptionOption–Wirbelfräsen•••Dynamic Precision

Dynamic Efficiency

x Funktionen möglich• Standardfunktion������������������������������������������������������������������������������������� �������������� ���������������������������������������

Weitere Informationen:• Katalog TNC 640• Katalog iTNC 530• Katalog TNC 620• Technische Information
Dynamic Precision�����������������1081192-10 · 10 · 9/2013 · F&W · Printed in Germany