Was ist High Speed Machining (HSM)? Ein Leitfaden für die schnelle CNC-Bearbeitung von Grundauf

Die schnelle CNC-Bearbeitung ist seit einigen Jahren einer der Bereiche, die die Effizienz moderner Produktionsbetriebe am stärksten beeinflussen. Mit der Entwicklung hochdynamischer Maschinen, neuer Werkzeuggeometrien und fortschrittlicher CAM-Systeme entstand ein Ansatz, der als High Speed Machining (HSM) bezeichnet wird.

Dabei geht es nicht nur um „schnelleres Arbeiten”. HSM verändert die Art und Weise, wie über die Prozessvorbereitung, die Planung der Werkzeugbelastung und die Führung der Bahnen nachgedacht wird – insbesondere dort, wo kurze Zykluszeiten, Stabilität und hohe Oberflächenqualität gefordert sind.

Daher wird es zunehmend zum Standard in Branchen, die mit anspruchsvollen Materialien und komplexen Geometrien arbeiten.

Im weiteren Verlauf des Artikels beschreiben wir die wichtigsten Grundsätze von HSM, die Art und Weise, wie der Prozess durchgeführt wird, und die Bereiche, in denen diese Methode die messbarsten Ergebnisse liefert.

High Speed Machining – grundlegende Definition

Einfach ausgedrückt ist High Speed Machining (HSM) eine Bearbeitungsstrategie, bei der:

• wir sehr hohe Spindeldrehzahlen und hohe Vorschubgeschwindigkeiten verwenden,
• die Schnitttiefe und -breite reduzieren
• und die Belastung des Werkzeugs über den gesamten Verfahrweg möglichst konstant halten.

In vielen industriellen Anwendungen wird HSM als Arbeit mit Spindeldrehzahlen über 10.000 U/min und Schnittgeschwindigkeiten von mehreren hundert bis über 1000 m/min (je nach Material und Werkzeuggeometrie) definiert.

Dies ist jedoch keine starre Grenze – entscheidend ist der Ansatz, d. h. eine hohe Dynamik bei einem kleinen, gut kontrollierten Spanquerschnitt.

Schnelle CNC-Bearbeitung und konventionelle Bearbeitung

Bei der konventionellen Bearbeitung bedeutet eine Steigerung der Produktivität in der Regel einen höheren Anpressdruck – die Schnitttiefe, die Werkzeugbreite und die Schnittkräfte nehmen zu.

Dies führt zu einer erhöhten Belastung der Spindel, der Aufspannung und des Werkstücks selbst. Die Temperatur im Schneidbereich steigt und der Span hat einen relativ langen Kontakt mit der Schneide.

Bei der für HSM typischen schnellen CNC-Bearbeitung sieht der Prozess anders aus:

• Das Werkzeug führt sehr schnelle, aber leichte Durchgänge aus,
• die Kontaktzeit der Schneide mit dem Material ist kürzer,
• ein großer Teil der Wärme wird zusammen mit dem Span abgeführt,
• die momentanen Schnittkräfte sind geringer, was das Risiko von Verformungen und Vibrationen verringert.

Dieser Ansatz eignet sich besonders gut für komplexe 3D-Oberflächen in Details wie Formen und Matrizen – in gehärteten Werkstoffen und bei der Bearbeitung von Taschen und Konturen, wo sowohl die Leistung als auch die Oberflächenqualität wichtig sind.

Werkzeuge, Halter und Maschinen für HSM

High Speed Machining erfordert ein Werkzeug-Aufnahme-Maschine-System, das bei hoher Dynamik und hohen Drehzahlen stabil arbeiten kann. Die wichtigsten Elemente sind:

• Werkzeuge – Vollhartmetall, mit Beschichtungen, die für hohe Schnittgeschwindigkeiten ausgelegt sind, und einer Geometrie mit geringem Schnittwiderstand.
• Scharfe Kanten, ein positiver Spanwinkel und eine optimierte Zahnteilung reduzieren die Schnittkräfte und verbessern die Gleichmäßigkeit der Belastung.
• Aufnahmen – Schrumpf-, Hydraulik- oder andere Lösungen mit sehr guter Steifigkeit und Auswuchtung.
• Bei den für HSM typischen Drehzahlen erzeugt bereits eine geringe Unwucht große Zentrifugalkräfte, die zu Vibrationen und einem Verlust der Oberflächenqualität führen können.
• Maschine – Bearbeitungszentrum oder Drehmaschine mit einer für hohe Drehzahlen ausgelegten Spindel, ausreichender Leistung im oberen Drehzahlbereich, hoher Achsdynamik und stabiler Konstruktion.
• Eine gute Steuerung und schnelle Interpolation sind entscheidend, damit die HSM-Bahnen gemäß den CAM-Vorgaben ausgeführt werden.

Aufgrund der hohen Dynamik des gesamten Prozesses ist auch die Qualität der Werkstückspannung von großer Bedeutung.

Jede Ungenauigkeit im Werkzeug, fehlende Abstützung oder Spiel in der Spannung kann zu Instabilität und einer Verschlechterung der Maßgenauigkeit führen.

Anwendungen und Vorteile von High Speed Machining

HSM ist besonders beliebt in Branchen, in denen eine Kombination aus komplexer Geometrie, hoher Genauigkeit und schwierigen Materialien gefragt ist:

• Herstellung von Formen und Matrizen (Werkzeugstähle, gehärtete Werkstoffe),
• Luftfahrt-, Verteidigungs- und Raumfahrtkomponenten (Aluminiumlegierungen, Titan),
• Präzisionskomponenten für Maschinen und Geräte mit komplexer Geometrie.

Die wichtigsten Vorteile sind:

• Verkürzung der Zykluszeit bei gleichbleibender oder verbesserter Oberflächenqualität,
• Möglichkeit der Bearbeitung harter Werkstoffe ohne aufwendige Nachbearbeitung,
• stabilere Temperaturkontrolle von Werkzeug und Werkstück.

Einschränkungen und Herausforderungen von HSM

High Speed Machining ist keine universelle Lösung für jedes Werkstück und jede Maschine. Zu den wichtigsten Einschränkungen gehören:

• Notwendigkeit einer steifen, dynamischen Maschine mit einer geeigneten Spindel,
• zunehmende Bedeutung der Auswuchtung von Werkzeug und Halter – eine geringe Unwucht bei hohen Drehzahlen erzeugt große Kräfte,
• Risiko von Vibrationen (Chatter), die bei einer ungünstigen Kombination von Drehzahl, Werkzeuglänge und Steifigkeit des Systems auftreten.

Bei der Einführung der Hochgeschwindigkeits-CNC-Bearbeitung ist es daher ratsam, die Empfehlungen der Werkzeughersteller zu befolgen und, soweit möglich, Stabilitätsanalysen durchzuführen, die bei der Auswahl des für einen ruhigen Betrieb geeigneten Spindeldrehzahlbereichs helfen.

Zusammenfassung

High Speed Machining (HSM) ist ein ganzheitlicher Ansatz für die Zerspanung – von der Auswahl der Maschine, der Werkzeuge und Halter über die Strategien für die Werkzeugwege bis hin zur Einstellung der Parameter.

Eine gut eingesetzte schnelle CNC-Bearbeitung ermöglicht eine erhebliche Verkürzung der Fertigungszeit, eine Verbesserung der Oberflächenqualität und eine Erhöhung der Prozessstabilität, insbesondere bei anspruchsvollen Werkstoffen und komplexen Geometrien.

Voraussetzung für den Erfolg ist jedoch eine bewusste Umsetzung – mit einer Bewertung des Maschinenparks, der Auswahl der richtigen Details und einer systematischen Verbesserung der Parameter auf der Grundlage tatsächlicher Ergebnisse und nicht nur theoretischer Annahmen.