Wie geht man mit Graten nach der Bearbeitung um?

Das Vorhandensein von Graten verringert nicht nur die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität des Werkstücks, sondern beeinträchtigt auch die Produktleistung und kann mitunter sogar Unfälle verursachen. Entgraten wird häufig eingesetzt, um dieses Problem zu beheben. Allerdings ist das Entgraten ein unproduktiver Prozess, der nicht nur die Produktkosten erhöht und die Produktionszyklen verlängert, sondern bei unsachgemäßer Gratentfernung auch zu Ausschuss und finanziellen Verlusten führen kann.

1. Haupttypen von Graten beim Stirnfräsen

Nach dem Klassifizierungssystem für Grate an der Schneidkante des Werkzeugs lassen sich die beim Stirnfräsen entstehenden Grate im Wesentlichen in fünf Typen einteilen: Grate an beiden Seiten der Hauptschneide, Grate am seitlichen Ausschnitt, Grate am unteren Ausschnitt und Grate in Vorschubrichtung des Ausschnitts und des Austritts.

Generell sind Grate, die in Schnittrichtung an der Unterkante entstehen, größer und schwieriger zu entfernen als andere Grate. Je nach Größe und Form lassen sich diese Grate beim Stirnfräsen in drei Typen einteilen: Typ I (größer, schwieriger zu entfernen und teurer), Typ II (kleiner, entweder unnötig oder leichter zu entfernen) und Typ III, auch Negativgrat genannt.

Wichtigste Faktoren, die die Gratbildung beim Stirnfräsen beeinflussen

Die Gratbildung ist ein hochkomplexer Materialverformungsprozess. Sie wird direkt von einer Vielzahl von Faktoren beeinflusst, darunter die Werkstoffeigenschaften des Werkstücks, Geometrie, Oberflächenbehandlung, Werkzeuggeometrie, Schnittbahn, Werkzeugverschleiß, Schnittparameter und Kühlmitteleinsatz. Abbildung 3 zeigt ein Blockdiagramm der Faktoren, die die Gratbildung beim Stirnfräsen beeinflussen. Unter bestimmten Fräsbedingungen hängen Form und Größe der Stirnfräsgrate von den kombinierten Wirkungen dieser Faktoren ab, wobei die einzelnen Faktoren unterschiedliche Auswirkungen auf die Gratbildung haben.

(1). Werkzeugein-/ausfahren

Generell lässt sich sagen, dass die Grate, die beim Austritt eines Werkzeugs aus einem Werkstück entstehen, größer sind als diejenigen, die beim Eintritt des Werkzeugs in das Werkstück entstehen.

(2) Planer Ausschnittwinkel

Der Fräswinkel beeinflusst maßgeblich die Gratbildung in Schnittrichtung an der Unterkante. Er ist definiert als der Winkel zwischen der Richtung der Schnittgeschwindigkeit (Vektor aus Werkzeugdrehzahl und Vorschub) an einem Punkt der Schneide beim Austritt aus der Werkstückendfläche und der Richtung der Werkstückendfläche in einer Ebene senkrecht zur Fräserachse. Die Richtung der Werkstückendfläche verläuft vom Eintrittspunkt zum Austrittspunkt des Werkzeugs. Wie in Abbildung 5 dargestellt, repräsentiert Ψ den Fräswinkel, der im Bereich von 0°

Die Testergebnisse zeigen, dass sich die Grathöhe mit der Schnitttiefe ändert und mit zunehmender Schnitttiefe von Graten des Typs I zu Graten des Typs II übergeht. Die minimale Frästiefe, die Grate des Typs II erzeugt, wird allgemein als kritische Schnitttiefe bezeichnet und mit dcr abgekürzt.

Je größer der Ausschnittwinkel, desto größer die kritische Schnitttiefe. Bei einem Ausschnittwinkel von über 120° werden die Grate des Typs I größer, und die kritische Schnitttiefe für den Übergang zu Graten des Typs II erhöht sich ebenfalls. Daher begünstigt ein kleinerer Ausschnittwinkel die Bildung von Graten des Typs II. Dies liegt daran, dass ein kleineres Ψ die relative Steifigkeit der Endfläche erhöht und somit die Gratbildung unwahrscheinlicher macht.

Die Größe und Richtung der Vorschubgeschwindigkeit beeinflussen die Größe und Richtung der resultierenden Geschwindigkeit v, was wiederum den ebenen Ausschnittwinkel und die Gratbildung beeinflusst. Daher verringern eine höhere Vorschubgeschwindigkeit und ein kleineres Ψ den Versatzwinkel α zwischen Austrittskante und Endfläche und wirken somit der Unterdrückung der Bildung größerer Grate effektiver entgegen.

(3) Tooltip-Ablaufsequenz (EOS)

Beim Stirnfräsen wird die Gratbildung maßgeblich durch die Austrittsreihenfolge der Werkzeugspitze bestimmt. Die resultierende Schnittgleichung ist zwar dieselbe, jedoch erzeugen Kunststoffe bei gleicher Austrittsreihenfolge größere Grate als spröde Werkstoffe. Die Austrittsreihenfolge der Werkzeugspitze wird nicht nur von der Werkzeuggeometrie, sondern auch von Vorschubgeschwindigkeit, Frästiefe, Werkstückgeometrie und Schnittbedingungen beeinflusst. Die Gratbildung ist das Ergebnis einer Kombination dieser Faktoren.

(4) Einfluss anderer Faktoren

① Fräsparameter, Frästemperatur und Schnittumgebung beeinflussen die Gratbildung. Der Einfluss einiger Schlüsselfaktoren, wie Vorschubgeschwindigkeit und Frästiefe, wird in der Theorie des ebenen Schnittwinkels und der Theorie der Werkzeugaustrittssequenz (EOS) berücksichtigt und daher hier nicht weiter erörtert.

② Je plastischer das Werkstückmaterial ist, desto wahrscheinlicher bilden sich Grate vom Typ I. Beim Stirnfräsen spröder Werkstoffe begünstigt eine höhere Vorschubgeschwindigkeit oder ein größerer Schnittwinkel die Bildung von Graten vom Typ III (mangelhaft).

③ Wenn der Winkel zwischen der Stirnfläche des Werkstücks und der bearbeiteten Oberfläche größer als ein rechter Winkel ist, erhöht sich die Stützsteifigkeit der Stirnfläche, was die Gratbildung hemmen kann.

④ Der Einsatz von Fräsflüssigkeit trägt dazu bei, die Werkzeugstandzeit zu verlängern, den Werkzeugverschleiß zu verringern und den Fräsprozess zu schmieren, wodurch die Gratbildung reduziert wird.

⑤ Werkzeugverschleiß hat einen signifikanten Einfluss auf die Gratbildung. Erreicht der Werkzeugverschleiß einen bestimmten Grad, vergrößert sich der Radius der Werkzeugspitze. Dies führt nicht nur zu einer Vergrößerung des Grats an der Austrittsrichtung, sondern erzeugt auch Grate vom Typ III an der Eintrittsrichtung. Der zugrundeliegende Mechanismus bedarf weiterer Forschung.

⑥ Auch andere Faktoren, wie beispielsweise das Werkzeugmaterial, beeinflussen die Gratbildung. Unter gleichen Schnittbedingungen sind Diamantwerkzeuge bei der Unterdrückung der Gratbildung wirksamer als andere Werkzeuge.

Grundlegende Methoden zur Kontrolle der Gratbildung beim Fräsen

Die Entstehung von Graten beim Stirnfräsen wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst, darunter der spezifische Fräsprozess sowie die Werkstückstruktur und Werkzeuggeometrie. Um die Gratbildung zu reduzieren, müssen verschiedene Ansätze verfolgt werden, um die Gratbildung zu kontrollieren und zu minimieren.

(1) Angemessene Tragwerksplanung

Die Gratbildung wird maßgeblich von der Werkstückstruktur beeinflusst. Unterschiedliche Werkstückstrukturen können zu erheblichen Abweichungen in Form und Größe der Grate an der bearbeiteten Kante führen. Sind Werkstückmaterial und Oberflächenbehandlung vorgegeben, sind Werkstückgeometrie und Kantenform entscheidende Faktoren für die Gratbildung.

(2) Richtige Verarbeitungsreihenfolge

Die Bearbeitungsreihenfolge beeinflusst auch Form und Größe der Fräsgrate. Unterschiedliche Gratformen und -größen führen zu unterschiedlichem Entgratungsaufwand und damit verbundenen Kosten. Daher ist die Wahl der geeigneten Bearbeitungsreihenfolge ein effektiver Weg, die Entgratungskosten zu senken.

(3) Vermeidung des Werkzeugausstiegs

Das Vermeiden des Werkzeugaustritts ist eine effektive Methode zur Verhinderung von Gratbildung, da der Werkzeugaustritt der Hauptfaktor für die Gratbildung in Ausschnittrichtung ist. Im Allgemeinen sind Grate, die beim Austritt des Fräsers aus dem Werkstück entstehen, größer als solche, die beim Eintritt des Fräsers in das Werkstück entstehen, kleiner. Daher sollte der Werkzeugaustritt während der Bearbeitung minimiert werden.

(4) Auswahl eines geeigneten Werkzeugwegs

Ist der Fräswinkel kleiner als ein bestimmter Wert, ist die Gratbildung geringer. Der Fräswinkel lässt sich durch Variieren der Fräsbreite, des Vorschubs (sowohl Betrag als auch Richtung) und der Drehzahl (sowohl Betrag als auch Richtung) einstellen. Die Wahl einer geeigneten Werkzeugbahn trägt somit dazu bei, I-förmige Grate zu vermeiden.

(5) Auswahl geeigneter Fräsprozessparameter

Die Parameter beim Stirnfräsen (wie Vorschub pro Zahn, Fräsbreite, Frästiefe und Werkzeuggeometrie) beeinflussen die Gratbildung. Die Entstehung von Stirnfräsgraten wird von vielen Faktoren beeinflusst, insbesondere vom Werkzeugaustritt/-eintritt, dem Ausschnittwinkel, der Austrittsreihenfolge der Werkzeugspitze und den Fräsparametern. Form und Größe des Grats ergeben sich aus dem Zusammenwirken dieser Faktoren.