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Werkzeugmaschinen

Kombination von Hartdrehen und Schleifen eröffnet Rationalisierungspotenzial

05.02.2008 | Autor / Redakteur: Guido Hegener / Frank Fladerer

Schleifen und Hartdrehen stehen sich häufig als konkurrierende Verfahren gegenüber. Die Kombination der beiden Möglichkeiten kann erhebliches Rationalisierungspotenzial eröffnen. Bild: Emag
Schleifen und Hartdrehen stehen sich häufig als konkurrierende Verfahren gegenüber. Die Kombination der beiden Möglichkeiten kann erhebliches Rationalisierungspotenzial eröffnen. Bild: Emag

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Die Kombination mehrerer Verfahren auf einer Maschine macht Prozess und Anlage zwar komplexer, aber durch konsequente Umsetzung und Integration weiterer Verfahren lassen sich noch erhebliche Rationalisierungspotenziale ausschöpfen. Eine vielversprechende Verfahrenskombination in der Zerspanung ist die Verbindung von Hartdrehen und Schleifen.

Die Möglichkeit zur Komplettbearbeitung sowie Qualitäts- und Flexibilitätsgewinn sind wichtige Vorteile, die für die Verfahrenskombination Hartdrehen und Schleifen sprechen. Verfahrenskombinationen können aber auch sehr effektiv zur Reduzierung der Zykluszeit eingesetzt werden.

Wenn die komplette Hartfeinbearbeitung auf einer Maschine durchgeführt wird, können Durchlaufzeiten sowie Transport- und Liegezeiten drastisch reduziert werden. Vorteile sind zudem in der Reduzierung der Rüstvorgänge und Rüstzeiten zu sehen.

Das konventionelle Außenrundeinstechschleifen stellt an vielen Stellen den Ist-Zustand in der Produktion dar (Bild 1). Der elementare Vorteil der hohen Prozesserfahrung ist jedoch gleichzeitig ein wesentliches Manko, wenn es um Innovationen geht. Denn das konventionelle Schleifen wurde in der Vergangenheit schon sehr weit optimiert.

Ein wesentliches Merkmal des Einstechschleifens mittels CBN(Kubisches Bornitrid)-Schleifen ist die drastische Hauptzeitreduzierung gegenüber konventionellen Schleifverfahren (Bild 2). Neben der Hauptzeitreduzierung wird auch eine spürbare Reduzierung der Nebenzeiten durch die hohe Standzeit der CBN-Werkzeuge erreicht. Ein Nachteil des CBN-Einstechschleifens ist, dass es aufgrund der hohen absoluten Werkzeugkosten ein Verfahren der Serien- und Massenfertigung ist.

Das Hochleistungs-Außenrund-Formschleifen oder Schälschleifen ist eine Verfahrensvariante des CBN-Schleifens, bei dem mit schmalen Schleifscheiben über das NC-gesteuerte Abfahren der Kontur ein Werkstückprofil generiert wird. Dieses Verfahren zeichnet sich durch seine hohe Flexibilität aus und ist eigentlich ideal zur Außenrundbearbeitung von Teilefamilien. Nachteilig ist, dass der Einsatz von Hochgeschwindigkeitstechnik und Schleiföl erforderlich sind.

Hartdrehen und Schleifen bieten beide hohe Flexibilität

Den Schleifverfahren steht häufig das Hartdrehen als konkurrierendes Verfahren gegenüber. Das Hartdrehen zeichnet sich ebenfalls durch eine hohe Flexibilität aus. Positiv wird von den Anwendern bewertet, dass dieses Bearbeitungsverfahren auch trocken funktioniert.

Großes Manko des Hartdrehens ist nach wie vor die ungenügende Prozessstabilität. Aufgrund unvorhersehbarer Schneideneinbrüche können immer wieder Störungen im Prozess auftreten. Zudem ist die mit Standardmaschinen erreichbare Bauteilqualität auf den Bereich IT 6 beschränkt.

Anhand dieser Abschätzung wird klar, dass kein Verfahren allen Anforderungen an die Hartfeinbearbeitung gerecht werden kann. Kombinationsmaschinen bieten hier die Möglichkeit, vom Bauteil und der Bearbeitungsaufgabe aus zu denken und eine optimale Lösung für eine bestimmte Fertigungsaufgabe zu suchen (Bild 3).

Die Optimierung kann dabei sowohl in Richtung der Produktivität, der Qualität als auch der Fertigungskosten erfolgen. Weil eine optimal ausgelegte Kombinationsmaschine sowohl als vollwertige Schleifmaschine als auch als vollwertige Drehmaschine eingesetzt werden kann, ergibt sich eine sehr hohe Flexibilität dieser Werkzeugmaschinen.

Werkstückspindel wird auf das Drehen ausgelegt

Die Auslegung der Werkstückspindel wird hauptsächlich von den Anforderungen der Drehbearbeitung bestimmt. Die Arbeitsdrehzahl ist beim Drehen deutlich höher als bei den meisten Schleifverfahren.

Sofern die Werkzeugmaschine auch zum Weichdrehen genutzt werden soll, ergeben sich deutlich höhere Anforderungen an das Maximalmoment der Hauptspindel als beim Schleifen. Eine sehr wichtige Forderung ist der freie Spänefall.

Aus der Schleifbearbeitung resultieren Forderungen an die Schleifspindeln. Die Außenbearbeitung, Planschulterbearbeitung und Innenbearbeitung haben dabei sehr unterschiedliche Anforderungen an Drehzahlen, Leistungen und Steifigkeit. Um die ganze Bandbreite abdecken zu können, ist ein modulares Spindelkonzept notwendig.

Eine generelle Anforderung an Kombinationsmaschinen ist ein geringer Wärmegang. Beispielsweise durch Schruppprozesse kann temporär und lokal eine hohe Wärmebelastung entstehen. Der daraus resultierende Wärmegang ist so gering zu halten, dass folgende Fertigbearbeitungsprozesse nicht beeinträchtigt werden.

Damit sich der Einsatz von Kombinationsmaschinen letztendlich rechnet, dürfen sich die Investitionskosten im Vergleich zu reinen Schleif- und Drehmaschinen nur im vertretbaren Rahmen erhöhen.

Beispiele für den Einsatz von Kombinationsmaschinen

Ein Beispiel für eine Kombinationsmaschine zur Bearbeitung von Futterteilen ist die VSC-Plattform von Emag (Bild 4). Das Pick-up-Konzept erfüllt insbesondere die Anforderungen an einen freien Spänefall.

Die Beladung über die Achsen ist schnell und einfach. Mit Werkzeugrevolver, Y-Achse, B-Achse und fest im Unterbau verankerten Schleifspindeln besitzt die Maschine eine sehr große Anwendungsbreite. Ein Beispiel für die Kombinationsbearbeitung von Wellen ist die Maschinenplattform VTC DS von Emag. Ob Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen oder die Kombination Drehen/Schleifen – die VTC lässt alle Varianten der Verfahrensintegration für Wellenteile zu.

Interessant ist die VTC 315 DS für qualitativ hochwertige Werkstücke, die in der Mittel- bis Großserie hergestellt werden wie zum Beispiel Getriebe-, Rotor-, Pumpen-, Motor- oder Gelenkwellen. Dementsprechend wird auch die Bearbeitungstechnik ausgewählt. Stabile Werkstücke können mittels Schäldrehen bearbeitet werden; dünne, labile Teile mittels Schleiften. Die Maschine kann sowohl als vollwertige Schleif- oder Drehmaschine als auch als Kombinationsmaschine eingesetzt werden (Bild 5).

Vollwertige Möglichkteit zum Schleifen oder Drehen

Ein Beispiel für die Kombinationsbearbeitung ist die Bearbeitung von Getrieberädern. Das Fertigdrehen der Planschultern erfolgt mittels Hartdrehen. Die Bohrung und der Kegel werden aufgrund der hohen Qualitätsanforderungen vorgedreht und fertiggeschliffen.

Hierzu ist die Maschine mit zwei Schleifspindeln auszustatten. Eine Spindel ist für die Bohrungsbearbeitung ausgelegt, eine für die Außenbearbeitung. Weil nur wenige hundertstel Millimeter geschliffen werden, sind die Schleifwerkzeuge rein auf die Fertigbearbeitung ausgelegt. Das Verfahren hat mittlerweile weitestgehend die reinen Schleifmaschinen verdrängt.

Ein weiteres Beispiel für den sinnvollen Einsatz der Kombinationstechnologie ist die Erzeugung von drallfreien Sitzen. An einem Druckring ist der Außendurchmesser und die Stirnfläche zu bearbeiten. Auf dem Außendurchmesser ist die drallfreie Oberfläche zu erzeugen.

Kombinationsbearbeitung kann Drallbildung vermeiden

Hier bietet es sich an, die Stirnfläche hart fertig zu drehen und den Außendurchmesser vorzudrehen. Die Fertigbearbeitung erfolgt mittels Schleifen. Das Abrichten der Schleifscheibe wird durch Einstechen in eine achsparallel angeordnete Profilrolle durchgeführt. Das Schleifen erfolgt ebenfalls im Einstechprozess. Mit diesem Verfahren wird eine Drallbildung sicher vermieden.

Interessant ist die Kombinationsbearbeitung auch für die Bearbeitung von Muttern mit innenliegender Kugellaufbahn, die in Kugelgewindetrieben eingesetzt werden. An den Muttern sind das Innengewinde, die Stirnfläche, der Außendurchmesser und die Planschulter zu bearbeiten.

Muttern mit innenliegender Kugellaufbahn lassen sich leichter herstellen

Bei dem vorgestellten Konzept werden Stirnfläche, Außendurchmesser und Planfläche hartgedreht, das als Kugellaufbahn dienende Innengewinde wird geschliffen. Dafür eignet sich eine VSC-Maschine, die zusätzlich mit Y- und B-Achse ausgestattet ist. Über die hochgenaue B-Achse wird der Steigungswinkel des Gewindes eingestellt. Die Y-Achse dient als Zustellachse bei der Bearbeitung der Kugellaufbahn.

Die Maschine ist mit zwei Schleifspindeln ausgestattet. Diese können zur Vor- und Fertigbearbeitung mit unterschiedlichen Werkzeugen bestückt werden. Über eine separate Abrichtvorrichtung werden die Profile mittels Diamantprofilrolle abgerichtet.

Die Maschine ist sowohl für den Einsatz von konventionellen Schleifscheiben als auch für den CBN-Einsatz geeignet. Ein 2,5-D-Messtaster dient zur präzisen Bestimmung der Winkellage des eingespannten Teils und kann zur Postprozesssteuerung der hartgedrehten Flächen genutzt werden.

Maschinenkonzept lässt Umspannfehlern keine Chance

Der Vorteil dieses Konzeptes gegenüber der konventionellen sequenziellen Fertigungsfolge ist, dass alle qualitätsbestimmenden Flächen in einer Aufspannung bearbeitet werden. Umspannfehler, die insbesondere die Flucht der Planfläche und des Außendurchmessers zur Mittelachse der Kugelumlaufbahn beeinträchtigen, können vermieden werden.

Bei der Futterteilbearbeitung ist die Kombination Hartdrehen und Schleifen Stand der Technik. Nach wie vor ist aber ein erhebliches Rationalisierungspotenzial vorhanden, weil bei Weitem nicht alle Prozesse, bei denen es sich lohnen würde, auf die Kombinationsbearbeitung umgestellt sind. In der Zukunft werden neben den Verfahren Drehen und Schleifen verstärkt auch Hartfräsen, Hartreiben und Honen in Kombinationsmaschinen integriert werden.

Auch für die Wellenbearbeitung sind geeignete Maschinenkonzepte auf dem Markt vorhanden, die eine Verfahrensintegration ermöglichen. Der Einsatz dieser Systeme ist jedoch noch nicht so verbreitet wie bei der Futterteilbearbeitung, weil hochproduktive Systeme auf der Basis konventioneller Schleiftechnik, CBN-Schleiftechnik und moderner Drehtechnik existieren. Es zeichnet sich jedoch ab, dass auch bei der Wellenbearbeitung zukünftig die Vorteile der Kombinationsbearbeitung stärker genutzt werden.

Dr.-Ing. Guido Hegener ist als Geschäftsführer der Emag Salach Maschinenfabrik GmbH in 73084 Salach.

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