Reduzierer Aufwand bei der Werkstückbearbeitung

Schneller, höher, weiter – das gilt in Zeiten von Globalisierung, ständiger Rekordjagd und internationalem Wettbewerb nicht nur für die Leistung des Menschen, sondern auch und vor allem für die der Maschinen. Gerade in der Automobilindustrie ist Zeit Geld, sind doch verzögerte Fertigungsprozesse unvermeidbar mit enormen finanziellen Verlusten verbunden. Die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH (SW), Experte für anspruchsvolle, werkstück-spezifische Fertigungssysteme zur Metallbearbeitung, hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, mit ihren Bearbeitungszentren (BAZ) die Effizienz in der Produktion zu steigern. Die gleichzeitige Bearbeitung von zwei, drei oder sogar vier Werkstücken auf einer Maschine ist für die Großserienproduktion, also zum Beispiel Automobilhersteller, eine Möglichkeit, ihre Prozess- und Durchlaufzeiten erheblich zu verringern und so bares Geld einzusparen. In derselben Zeit, die ein einspindliges Standard-BAZ für ein Teil benötigt, werden auf einer SW-Maschine bis zu vier Werkstücke gleichzeitig bearbeitet, wodurch sich die Bearbeitungszeit pro Werkstück um rund zwei Drittel reduziert. Zudem ersetzt ein BAZ mehrere Maschinen, was den Energieverbrauch und den Platzbedarf verringert, sodass die Produktivität pro Quadratmeter Hallenfläche deutlich höher ausfällt.

Die SW-Mehrspindelbearbeitungszentren wurden speziell für die Serienfertigung im Hinblick auf eine kurze Bearbeitungszeit mit bestmöglicher und prozesssicherer Qualität entwickelt. Bearbeitet werden können damit alle Werkstücke aus Aluminium, Magnesium, Titan, Guss-eisen, Stahl sowie vielen weiteren Materialien. An solche Zentren werden hohe Anforderungen in Bezug auf eine Komplettbearbeitung eines Werkstücks gestellt. Deshalb sind alle Maschinen mit einem patentierten Monoblock Qube ausgestattet, der die Grundlage für die Stabilität und Genauigkeit bildet. Der Doppelschwenkträger ermöglicht ein hauptzeit-paralleles Be- und Entladen und sorgt mit Direktantriebstechniken in allen Achsen für eine hohe Dynamik in der Werkstückbearbeitung.

Individuelle Zerspanungskonzepte für unterschiedliche Verfahren
Je nachdem, welche Anforderungen der Kunde an die Bearbeitung hat, entwickelt die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH durch die Anwendung beziehungsweise Kombination diverser Technologien ein individuelles Zerspanungskonzept. Bei der jeweiligen Bearbeitung kommen die verschiedensten Verfahren zum Einsatz, die von jedem SW-BAZ, in denen die Arbeitsspindeln horizontal angeordnet sind, sicher angewendet werden können:

Standardmäßig zählen dazu Fräsen, Bohren, Aufbohren mit Feinstspindeln und Reiben. Damit ist in manchen Fällen jedoch keine Komplettbearbeitung möglich, weshalb weitere Verfahren ergänzt werden müssen, um einen Bearbeitungsprozess komplett und prozess-sicher durchführen zu können. Grundsätzlich können fast alle Zerspanungsverfahren auf einer SW-Maschine, die in ihrer Dynamik und Genauigkeit explizit dafür entwickelt wurde, ange-wendet werden.

Beispiel 1:
Drehfräsen mit vier Spindeln für die Fertigung eines Pumpengehäuses

Für die Fertigung eines Pumpengehäuses kann beispielsweise ein Zylinder mittels Drehfräsen auf einem 4-Spindel-BAZ BA W04-42, das sich besonders für nicht-magnetische Werkstoffe wie zum Beispiel Aluminium eignet, bearbeitet werden. Da die Maschine mit Direktantriebs-technik sowohl in der X-, als auch der Y- und der Z-Achse sowie den Rundachsen ausge-stattet ist, kann die Zerspanung von Leichtmetallwerkstücken mit nur minimalen Nebenzeiten erfolgen. Die maximale Werkzeuglänge beläuft sich auf 300 mm, das maximale Werkzeug-gewicht auf 10 kg. Beim Werkzeugwechsel beträgt die Span-zu-Span-Zeit lediglich 2,4 s.

Pluspunkt beim Drehfräsen sind die kleineren Werkzeuge, wodurch automatisch auch kleinere Drehmomente entstehen und große Werkstück-Durchmesser bearbeitet werden können. Weiterhin ist das Werkzeugmagazin effizienter nutzbar, da keine freien Nachbar-plätze wie bei übergroßen Werkzeugen benötigt werden. Die Bearbeitung erfolgt auf einem 5-Achs-Planetentisch, welcher die Vorschubgeschwindigkeit durch die Planetendrehzahl bestimmt.

Beispiel 2:
Konturdrehen mit zweispindligem BAZ für das Turbinengehäuse eines Turboladers

Eine weitere Option kann das Interpolationsdrehen als Einstichdrehen, als Konturdrehen oder als Flächeninterpolationsdrehen darstellen. Diese Bearbeitungsform wird beispielsweise für Turbinengehäuse für Turbolader gewählt. Für das Interpolationsdrehen wird die Hauptspindel des Bearbeitungszentrums BA 422 zu einer Achse umgeschaltet, die sich anschließend wie eine Drehachse steuern lässt. Während die Hauptspindel in der X- und Y-Achse auf einer Kreisbahn geführt wird, orientiert sich das Werkzeug immer radial zur aktuellen Bahnposition. Gleichzeitig kann, wie beim Konturdrehen, zusätzlich noch eine Zustellung des Werkstücks in der Z-Achse erfolgen.

Aus dem Zusammenspiel der X-, Y- und Z-Achse sowie der Hauptspindel mit einer optimalen Werkzeugauslegung können sich Drehzahlen von bis zu 1.000 min-1 ergeben. Die Vorteile dieses Drehverfahrens liegen in der Nutzung einfacher Werkzeuge und der Tatsache, dass keine zusätzlichen Investitionskosten für eine weitere Drehmaschine benötigt werden. Ebenso kann hierdurch die Anzahl der benötigten Spannlagen reduziert werden, was ebenfalls zu einer höheren Prozesssicherheit beiträgt. Die Span-zu-Span-Zeit beläuft sich hier auf etwa 2,75 s.

Beispiel 3:
Semifinish mit CBN-Schneiden für die Bearbeitung der Kipphebellagerböcke

Bei gehärteten Bauteilen wird das Finish in vielen Fällen mit CBN-Schneiden und in Kombination mit Schleifen durchgeführt, wie das etwa bei der Zapfenbearbeitung der Fall ist. Diese kommt unter anderem bei Kipphebellagerböcken für größere Dieselmotoren zum Einsatz. Der Zapfen ist dabei gehärtet > 60 HRC. Hier empfiehlt sich eine BA 322. Die Semifinish Operation wird mit einem Überdrehwerkzeug z = 2, mit Feineinstellung und CBN-Schneiden durchgeführt.

Das Finish erfolgt mittels Außenrundschleifen. Mit diesem Verfahren werden Rundheiten am Zapfen von < 5µm erreicht. Der Unterschied in den Durchmessern von Spindel 1 zu Spindel 2 beträgt dabei weniger als 1µm. Somit kann zum einen das Rohteil komplett im weichen Zustand bearbeitet und zum anderen die Fertigbearbeitung nach dem Härteprozess auf der gleichen SW-Maschine durchgeführt werden. Die BA 322 eignet sich mit maximalen Werkzeugabmessungen von im Durchschnitt 160 < 275 mm und einer Span-zu-Span-Zeit von rund 2,5 s optimal für die Großserienfertigung von kleineren Bauteilen.

Fazit
Alternativ zu den BAZ wäre die Bearbeitung der genannten Werkstücke auf separaten Maschinen möglich. Der Vorteil dabei bestünde darin, dass bei sehr großen Serien ein Schnittpunkt für die Wirtschaftlichkeit entsteht. Wesentlich höhere Investitionen, ein größerer Flächenbedarf für die einzelnen Maschinen sowie eine aufwändigere Automation müssten dabei jedoch in Kauf genommen werden. Die Hauptvorteile mehrspindliger Bearbeitungs-zentren liegen in deutlich geringeren Stückkosten durch eine höhere Ausbringung mit nur einer Maschine, der Einsparung von Platz, Personal und Energie.

Autor: Edwin Lück, Leiter Technologieentwicklung bei Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH