Fünfachsig mal zwei ist produktiver

Ein Bericht der Schwäbische Werkzeugmaschinen in Waldmössingen zum Innovationsforum mav im Konradin Verlag im April 2011

Gängige Praxis ist es, die Räder aus geschmiedeten Stangen auf Drehzentren vorzubearbeiten. Anschließend fertigt man auf HSC-Bearbeitungs-zentren die Schaufelgeometrien. Da dies nur fünfachsig möglich ist, nutzt man wegen der erforderlichen hohen Genauigkeiten bisher einspindlige Maschinen mit automatisierter Beladung. Die Produktivität lässt sich dabei nur durch Beschaffen zusätzlicher Bearbeitungszentren erhöhen. Das verursacht allerdings einen hohen Aufwand. Die gesamte Peripherie – Spannmittel, Industrieroboter, Ablagestationen, Paletten, Zu- und Abführeinrichtungen – muss ebenfalls beschafft und installiert werden.

Wesentliche Verbesserungen lassen sich mit einer Fertigung auf zweipindligen Bearbeitungszentren realisieren. Deshalb präsentiert die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH in Waldmössingen jetzt auf solchen Maschinen praxisgerechte Fertigungsabläufe. Die Ronden werden wie bisher auf Drehzentren vorgefertigt. Als Schnittstelle zwischen den Spannvorrichtungen auf den Dreh- und Bearbeitungszentren und den Ronden dient ein HSK. Dazu nimmt ein Spanndorn auf dem HSK die Ronden in ihrer Zentrumsbohrung auf. Diese Bohrung ist funktionsbedingt, wegen des erforderlichen Rundlaufs der Impeller, in engen Toleranzen bearbeitet.

Somit ist sie hochgenau zentrisch, fluchtend und rund. Zum Bearbeiten des Impellers legt ein Industrieroboter jeweils zwei im HSK gespannte Ronden in die Vorrichtungen auf dem Spannbalken des zweispindligen Bearbeitungszentrums BA321 ein. Die Wechselgenauigkeit beim Spannen der HSK-Werkzeugkegel ist kleiner 5 µm. Die Vorrichtungen auf dem Spannbalken sind als fünfte NC-Achse (Drehachse) ausgebildet und – wie die Hauptspindeln – in 300 mm Abstand angeordnet. Als vierte Achse schwenkt der Spannbalken, um die Schaufelgeometrien fünfachsig simultan bearbeiten zu können.

Das Bearbeitungszentrum BA321 arbeitet mit zwei Hochgeschwindigkeitsspindeln bei Drehzahlen bis
42 000 min-1. Sie befinden sich im robusten Blockspindelkasten, der nach dem bewährten Box-in-Box-Prinzip vertikal im Gantryverbund geführt wird.

Der Gantryantrieb sorgt für eine hohe Genauigkeit auch bei außermittiger Belastung. Die Verfahrwege betragen 300 mm in X, 500 mm in Y und 375 mm
in Z. Kugelrollspindeln mit ölgeschmierten Kugel-umlaufführungen ermöglichen Fahrgeschwindigkeiten bis 70 m/min in Y- und Z-Richtung und bis 60 m/min in X-Richtung bei Beschleunigungen bis 10 m/s² in X- und Z-Achse sowie bis 8 m/s² in der Y-Achse. Das Kettenmagazin für 2 x 20 Werkzeuge ist oberhalb des Arbeitsraums angeordnet. Zum Pick-up-Werkzeugwechsel fährt der Spindelkasten um 250 mm nach oben in den vom Arbeitsraum durch Schiebe-türen getrennten Magazinraum. Somit sind die Werkzeuge optimal vor umherfliegenden Spänen geschützt. Mit dem Pick-up-Prinzip realisiert das Bearbeitungszentrum Span-zu-Span-Zeiten kleiner 3 s. Für diese hohen Drehzahlen sind die ein-gesetzten Werkzeugaufnahmen HSK E50 bestens geeignet. Diese sind komplett rotationssymmetrisch und ohne Mitnehmernuten.

Für hohe Steifigkeit und Stabilität ist das Bearbeitungzentrum als Monoblock ausgeführt. Das ermöglicht zudem einen sehr kompakten Aufbau. Im Monoblock sind sämtliche weiteren Komponenten integriert, so dass eine "Kranhaken-Maschine" entsteht. Zudem sind alle Antriebskomponenten von der Rückseite schnell und problemlos zugänglich.

Große Schiebetüren ermöglichen den freien Zugang zum Arbeitsraum. So kann ein Industrieroboter problemlos jeweils zwei Impeller mit seinem Doppelgreifer entnehmen und nach Schwenken des Greifers zwei Ronden einlegen. Mit diesem Fertigungsablauf – Parallelbearbeitung zweier Impeller – schafft das Bearbeitungszentrum eine um etwa 30 Prozent höhere Produktivität verglichen mit der einspindligen Bearbeitung. Damit erübrigt diese Fertigung oft das Beschaffen einer zusätzlichen Maschine und der dafür erforderlichen Peripherie, Industrieroboter, Palettenstapel, Übergabestationen. Für höchsten Programmier- und Bedienkomfort verfügt das Bearbeitungszentrum BA321 über die aktuelle CNC-Steuerung Siemens S840 D Solution line. In ihr sind die speziellen Funktionen und Merkmale der fünfachsigen Simultanbearbeitung auf dem Zweispindler integriert. So kann der Programmierer und Bediener im grafisch unterstützten Dialog darauf zugreifen.

Zudem arbeitet die Steuerung wesentlich schneller als andere Steuerungen die NC-Programme für fünfachsige Simultanbearbeitung ab. Spezielle Rechenzyklen erhöhen die Bahngenauigkeit. So kann die Dynamik des Bearbeitungszentrums BA321 voll ausgeschöpft werden. Das trägt ebenfalls zur hohen Produktivität der zweispindligen Bearbeitung der Impeller bei. Darüber hinaus bietet die fünfachsige Simultanbearbeitung höchste Flexibilität für wechselnde Schaufel-geometrien. So können Auftragsfertiger im Wechsel auch mittlere Serien der Impeller bei minimalen Umrüstzeiten wirtschaftlich bearbeiten.

Zwei- und vierspindlig zu bearbeiten ist vor allem für Bauteile in großen Serien eine etablierte Fertigungs-technologie. Bei üblicher Bearbeitung in drei Achsen lag bisher der Fokus in der Weiterentwicklung der Maschinen auf kürzeren Nebenzeiten und höherer Dynamik für kürzere Taktzeiten.

Allerdings hat sich das Spektrum an Bauteilen gewandelt. Im Fahrzeug- und Flugzeugbau werden zunehmend Bauteile mit aufwendig und schwierig zu bearbeitenden Geometrien eingesetzt. Das betrifft unter anderem Bohrungen, Dicht- und Schraubflächen, Nuten oder Taschen auf schrägen Flächen unter beliebigen Winkeln. Um diese Werkstücke in einer oder maximal zwei Aufspannungen fertigen zu können, hat man bereits seit einigen Jahren die mehrspindligen Bearbeitungszentren mit vierten und fünften Achsen als Stellachsen ausgerüstet. Damit lassen sich die Werkstücke in die benötigten Arbeitslagen drehen und schwenken. Für die erforderlichen Genauigkeiten sorgen zum Beispiel individuelle Korrekturwerte auf den Werkzeugnullpunkt für die Z-Achsen.

Einen wesentlichen Schritt weiter geht jetzt die Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH mit der Fünf-Achs-Simultanbearbeitung auf mehrspindligen Bearbeitungszentren. Optimierte Maschinenkonzepte mit Grundkörpern, Führungen und Vorschubantrieben, die mit ihrer hohen Steifigkeit und Stabilität die erforderliche Genauigkeit im Bereich von hundertstel Millimeter bei hoher Dynamik ermöglichen, schaffen dafür die Voraussetzungen. Zum Erfolg tragen auch die aktuellen Steuerungstechnologien bei – wie die Steuerungen Siemens S840D Solution line mit der Bedienoberfläche operate, in die die maschinen-spezifischen Achs- und Antriebsparameter problemlos integriert werden können. Mit diesem zukunfts-trächtigen Gesamtkonzept lassen sich die Vorteile von Mehrspindlern – höhere Produktivität und Wirtschaft-lichkeit – künftig auch beim Fertigen komplexer Bauteile effizient erschließen.