Sunday, July 29, 2012

Alu fräsen - was alles schief gehen kann

Ich habe über die Monate mir eine Liste an Dingen gemacht was alles bei mir schief gegangen ist um diese Fehler nicht zu wiederholen. Viele Dinge gelten generell, mache sind speziell für mein eingesetztes MadCAMCNC, ein Rhino3D plugin.



  1. Befestigung des Werkstücks: Das ist eine Wissenschaft für sich und mit das Schwierigste überhaupt, meiner Ansicht nach. Bei Plattenwerkstücken spanne ich alles einfach am Rand fest, fräse alles komplett, nur dass ein paar kleine Stege übrig bleiben. Bei Alu möchte man aber keine Stege sondern eine sehr glatte Oberfläche, daher trenne ich Oberfläche und Innenseiten von der Randbearbeitung. Im ersten Schritt befestige ich das Material außen und fräse alles was innen liegt, also roughing, z-level, planar und pencil tracing alles komplett, nur die Außenseite wird nicht angerührt. Dann spanne ich das Werkstück von innen fest und fräse die Außenkontour komplett. Für geschlossene Teile geht das natürlich nicht (z.B. ein Tellerartiges Objekt könnte man innen nicht verspannen) aber meine Teile haben alle viele Stege und Ausnehmungen. Im schlimmsten Fall habe ich Befestigungsbohrungen die nichts mit dem Werkstück selbst zu tun haben aber eben zum Niederhalten dienen. Solange sie nicht stören. Ich bin sogar dazu übergegangen die Befestigungsbohrungen wenn möglich immer an der gleichen Stelle zu haben.
    Klingt mühsam? Ist es auch. Deswegen verwende ich in der Zwischenzeit den Vakuumtisch VT6040SEAL. Das ist so eine Wohltat im Vergleich zu vorher. Ein Vilmill Flies auf den Vakuumtisch legen, mit der Klebeseite nach oben, das Material wie z.B. Aluplatte drauf und die frei bleibenden Löcher mit Gummimatten abdecken. Dann die Vakuumpumpe einschalten, den Unterdruck kontrollieren und los geht es. Kein Umspannen, deswegen keine unbeabsichtigen Bewegung im 1/10mm Bereich, keine Bewegung in z-Richtung wegen unterschiedlicher Spannpunkte. Einfach nur komfortabel und schnell. Natürlich ist diese Lösung nicht immer verwendbar, etwa bei sehr kleinen Teilen ist nicht genügend Anpressfläche und dann würde der Fräser das Teil verschieben. Oder wenn eine raue Holzunterseite zu viel Leckage hätte. In den meisten Fällen muss ich aber aus einem größeren Teil filigrane Bauteile heraus fräsen. Das mache ich so dass ich nicht komplett durchfräse, sondern mit dem 5mm Fräser die letzten 0.2mm in z-Richtung übrig lasse.
    Damit hat das Material nach wie vor keine Durchbrüche, durch die Luft entweichen könnte, und deswegen genug Halt. Ist alles fertig - also Bohren, die Oberfläche, z-finishing, Anfasen usw, wechsle ich auf einen 3mm Fräser, und fräse damit die letzten 0.2mm - okay, inkusive durchfräsen 0,36mm - weg, allerdings nicht bündig zum Werkstück sondern mit 0.1mm abstand. Damit treten praktisch keine Kräfte beim Fräsen auf und selbst ein paar Punkte mit Unterdruck genügen, um das Werkstück zu halten. Meist habe ich sogar nur eine Zustellung von 0.12mm um die Kräfte weiter zu reduzieren und Toleranzen auszugleichen. Im Ergebnis habe ich damit ein sauber herausgeschnittenes Werkstück. Die 0,1x 0,2mm dicke Kante ist mit Schleifpapier sofort weg, spätestens wenn man die Oberfläche des Werkstücks poliert, wird diese Kante mit abgetragen.
  2. Doppelseitige Bearbeitung: Obiges Spannverfahren mit den Schraubbohrungen hat auch den Vorteil dass man bei zweiseitiger Bearbeitung keine Genauigkeitsprobleme hat. Die Bohrungen sind symmetrisch um die Mittelachse, man fräst also zuerst die Innenseiten und die komplette Oberfläche, nur Rund um die Befestigungsschrauben nicht. Und in vier weiteren Schritten dreht man eine Schraube heraus und glättet darunter die Oberfläche, dreht sie wieder hinein und geht zur nächsten Schraube über. Am Ende kann man das Teil einfach herunternehmen und mit der gerade gefrästen Oberseite nach unten legen und wieder mit den gleichen Schrauben festspannen. Dann wird von dieser Seite die Innenseite und Oberfläche gefräst und am Schluss, wie oben beschrieben, die Außenkontour.
  3. Eintauchtiefe, Vorschub, Drehzahl: Bei Kunststoff und Holz setzt man alles wie man möchte und muss eigentlich nur auf die Temperatur achten. Hohe Drehzahlen würden bedeuten dass der Fräser die Kanten schmelzen lässt oder das Holz feuer fängt. Bei Aluminium kommt noch dazu dass man ein gutes Schnittbild nur erhält wenn man auch wirklich etwas wegnimmt. Man kennt das vom Bohren, zu schnell eintauchen und man hat sehr hohen Widerstand, zu langsam ergibt viele winzige Späne, und wenn man mit Gefühl eintaucht bekommt man einen langen Span. Damit soll jetzt nicht gesagt sein dass man so einen langen Span auch beim fräsen erhalten sollte, nur das es ein engeres Fenster gibt bei dem das Fräsen gut funktioniert. Ich habe viel gelesen und zum Teil widersrüchliche Werte gefunden, schlussendlich verwende ich die von vhf.de zur Verfügung gestellte Webseite zur Ermittlung.
    Ich möchte mit einem 2-Schneiden Fräser von 6mm AlMgSi0.5 fräsen (Al-Si<6%), mein maximaler Vorschub für meine Haase ist 20mm/sec, die Webseite errechnet mir jetzt ich soll die Spindel auf 9900U/min einstellen und die Fräse auf 19mm/sec Vorschub. Und wie viel Material soll man wegnehmen? Generell sagt man 1/2 Fräserradius, also 1,5mm nur schafft das meine Frässpindel nur unter größter Last. Gerade beim eintauchen hat man Angst dass die Spindel stecken bleibt. Also ich tauche im Moment 0,5mm ein, manchmal auch 0,8mm und auch wenn der Fräser einen Hinterseitenschnitt hat (Langlochfräser) verwende ich eine Rampe von nur 4° im CAM. Mit diesem Wert bin ich im großen und Ganzen zufrieden, damit möchte ich aber nicht sagen das ich der Weisheit letzter Schlusß gefunden habe.
  4. Noga MMKS: Was bei zu hoher Spindel-Drehzahl gerne passiert ist dass sich an den Schneiden Material festsetzt, dann hat man nach ein paar cm weiterer Fahrt aber keinen Fräser mehr sondern einen Vollstift mit dem man Alu zu gravieren versucht. Das Ergebnis ist unterschiedlich aber in jedem Fall spektakulär. Im besten Fall bricht der Fräserschaft ab. Wahrscheinlich wird durch die hohe Belastung der Fräser vorher noch verzogen sodass er, selbst bei 6mm Durchmesser, einen halben Millimeter vom Kurs abkommt und das Werkstück verletzt. Einmal hat es dann den Fräser innerhalb von 30 Sekunden so viel tiefer aus der Fräseraufnahme gezogen dass er 2mm zu tief war, die Frässpindel ist unter lautem Protest stehen geblieben und wegen dem hohen Strom die Schmelzsicherung der Haase geflogen. (Übrigens, die ist im Kaltgerätestecker, der Buchse davon, versteckt. Zwischen Stecker und Schalter ist ein Stück Kunststoff das man herausziehen kann und das hält die Sicherungen)
    Also immer den Fräser sehr fest einspannen und am Besten noch eine Kühlschmierung einsetzen. Die funktioniert wie eine Venturidüse, benötigt also Druckluft von ca. 4bar. Dazu verwende ich einen handelsüblichen Kompressor mit 50 Liter Volumen, Druckminderer und Selbstabschaltung. Den schalte ich manuell ein, nach 5 Minuten hat er 6bar Druck aufgebaut und den Ausgang habe ich auf 4bar eingestellt. Von dort geht es in ein 220V Magnetventil das von der Haase gesteuert wird und weiter zur Düse. Die Düse hat zwei Regelungsmöglichkeiten, einmal der Handhebel um die Druckluftmenge zu steuern - dort habe ich eher alles geöffnet und stelle eher den Druckminderer am Kompressor ein - und an der Düsenspitze selbst wird das Verhältnis Kühlflüssigkeit zu Volumen eingestellt. Es soll so viel herauskommen dass ein deutlich sichtbarer Strahl herauskommt aber nichts unter "Wasser" gesetzt wird. Das Kühlmittel nennt sich Fenella VD201N und ist ein Öl das sehr leicht verdampft und damit dem Fräser und dem Werkstück Wärme entzieht, zusätzlich zur Schmierwirkung.
    Was ich auf jeden Fall ändern muss ist der Standort des Kompressors. Alle 10 Minuten startet der unter hoher Lautstärke und ich erschrecke jedesmal derart das ich fast in Luft springe. Der fliegt aus dem Raum heraus, obwohl ich doch darauf geachtet haben einen Leisen zu kaufen.













Dank dieser Techniken kommt dann etwa dieses Endergebnis zu stande.







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