Kurzer Prozess

28.09.2006 | Redakteur: MM

Verfahrenskombinationen und Komplettbearbeitung reduzieren die Fertigungs- und Durchlaufzeiten beim Schleifen. Eine Verringerung der Anzahl von Bearbeitungsschritten und die Zusammenfassung mehrerer...

Verfahrenskombinationen und Komplettbearbeitung reduzieren die Fertigungs- und Durchlaufzeiten beim SchleifenEine Verringerung der Anzahl von Bearbeitungsschritten und die Zusammenfassung mehrerer Schritte in eine Bearbeitungsstation leisten Beiträge zur Verkürzung von Prozessketten. Sie zielen auf niedrigere Investitions- und Bearbeitungskosten, vereinfachte organisatorische Abläufe und verkürzte Durchlaufzeiten. Zur Komplettbearbeitung von Werkstücken in einer Aufspannung lassen sich Schleifmaschinen mit mehreren Arbeitsspindeln und Werkzeugen zum Drehen und Fräsen ausrüsten.Dies erweitert ihre Anwendungsspektren und ermöglicht es, Verfahrenskombinationen einzusetzen, in denen spezifische Verfahrensvorteile optimal genutzt werden. Dadurch können Produktivitätsvorteile erzielt und die Prozesssicherheit erhöht werden.Komplettschleifen in einer AufspannungDie Entwicklung der gebauten Nockenwellen ist ein Beispiel für besondere Fortschritte, die durch die Umstellung von Design und Herstellverfahren erreicht werden können. Konventionell werden Rohlinge für Nockenwellen meistens aus einem Stück gegossen oder geschmiedet, dann vorbearbeitet, wärmebehandelt und anschließend geschliffen. Ein neueres Verfahren, vor etwa zehn Jahren entwickelt und inzwischen sehr erfolgreich in die Serie eingeführt, verwendet montierte Rohlinge. Dabei werden auf einem Präzisionsstahlrohr vorgefertigte Nocken, Antriebsräder und diverse weitere Komponenten aufgepresst. Sie erhalten in diesem Fügeprozess eine teils kraft-, teils formschlüssige Verbindung.Im zusammengebauten Zustand werden dann die Lagerstellen und Nocken durch Schleifen fertigbearbeitet. Durch Gewichtseinsparungen und optimierte Materialpaarungen erzielt man große Funktionsvorteile. Wirtschaftliche Fertigung der Einzelkomponenten, wirtschaftliche Fügeverfahren und kostengünstige Schleifbearbeitung ermöglichen erhebliche Kostensenkungen.Durch genaue Vorbearbeitung der Komponenten und hohe Präzision beim Fügen wird es möglich, die spanende Bearbeitung des montierten Rohlings auf das Schleifen zu beschränken und dabei den Materialabtrag zu minimieren. Die komplette Schleifbearbeitung kann mit Maschinen, die verschiedene Schleifscheiben mit den benötigten Profilen bereithalten und effektiv zum Einsatz bringen, in einer Aufspannung erfolgen.PKW- und LKW-Nockenwellen sind Großserienteile und rechtfertigen eine aufwendige Verfahrensentwicklung unter Einbeziehung spezieller Fertigungsverfahren und-einrichtungen. Von hoher Bedeutung ist eine große Flexibilität des Herstellprozesses, damit schnell auf Designänderungen reagiert werden kann. In diesem Zusammenhang wird auch eine hohe Flexibilität der Schleifmaschinen gefordert. Sie müssen sich für ein breites Variantenspektrum einsetzen und schnell umrüsten lassen. Bei der Komplettbearbeitung in einer Aufspannung beschränkt sich das Umrüsten auf eine Maschine, und dies stellt einen großen Vorteil im Vergleich zu einer Bearbeitungsfolge in mehreren Aufspannungen dar.Als Voraussetzung für eine Komplettbearbeitung muss für die Werkzeuge ausreichender Zugang zu den zu bearbeitenden Flächen bestehen. Dies ist nicht immer gegeben und hängt unter anderem von den Einspannmöglichkeiten ab. In einigen Fällen muss der Zugang durch Schwenkvorrichtungen erreicht oder verbessert werden. Außerdem muss die Maschine alle benötigten Schleifscheiben, Abrichtwerkzeuge, Kühlmitteldüsen und weitere Werkzeuge bereithalten oder alternativ schnell auswechseln können.Eine weitere Voraussetzung ist die Fähigkeit, die erforderlichen Vorschubbewegungen ausführen zu können, wozu in der Regel mehrere NC-Achsen und Bahnsteuerungen einzusetzen sind. Ein derart größerer Funktionsumfang wird in der Regel in der Anschaffung teurer. Doch als Vorteile stehen größere Produktivität, einzusparende Handhabungszeiten und kürzerer Auftragsdurchlauf einem höheren Anschaffungspreis gegenüber. Sie können unter dem Strich die Herstellkosten je Teil reduzieren.Automatischer Wechsel der SchleifscheibenDas Schleifen einer großen Nockenwelle für einen 16-Zylinder-Schiffsdieselmotor zeigt das große Potential der Komplettbearbeitung. Die Nockenwelle weist je Zylinder zwei Steuernocken für die Ventile und einen Pumpennocken für die Diesel-Direkteinspritzung auf. Insgesamt sind 32 Steuernocken, 16 Pumpennocken und neun Lagerstellen zu schleifen. Die Steuernocken liegen dicht nebeneinander und sind schmaler als die Pumpennocken. Die Nockenwellenschleifmaschine CF 61 setzt deshalb zwei Schleifscheiben unterschiedlicher Breite ein (Bild 2). Die Bearbeitung der Welle gliedert sich in folgende Abschnitte: Mit Scheibe 1 werden zunächst drei Setzstocksitze angeschliffen, in denen die Welle für die folgenden Operationen abgestützt wird. Anschließend wird Scheibe 2 eingeschwenkt. Sie schleift messgesteuert die Lagerstellen und Endzapfen, wobei ein flexibel positionierbarer Durchmessermesskopf genutzt wird, und anschließend auch die 16 Pumpennocken. Mit Scheibe 1 werden dann die 32 Steuernocken geschliffen. Die Bearbeitungszeit für die gesamte Welle beträgt 45 min. Es wurde ein Bearbeitungsablauf abgelöst, der in mehreren Aufspannungen mit zwischenzeitlichem Schleifscheibenwechsel erfolgte und mehrere Stunden dauerte.Die Kombination verschiedener Bearbeitungsverfahren kann zur Verkürzung von Prozessketten beitragen, wie im folgenden Beispiel gezeigt, und birgt ein besonders großes Potential zur Kosteneinsparung. Für die abgebildete Formmatrize wurden zuvor drei Maschinen nacheinander zum Erodieren, Vor- und Fertigschleifen und Polieren eingesetzt.Mit einer Innenrundschleifmaschine S 145, die auf einem Werkzeugrevolver mehrere Arbeitsspindeln trägt, erfolgt nun die komplette Bearbeitung in einer Aufspannung (Bild 3). Durch Kombination des Schleifens mit der Zerspanung mit definierten Schneiden wurden die Bearbeitungszeit und die Durchlaufzeit erheblich gesenkt.Enge Formtoleranzen werden eingehaltenIn der 1. Operation wird die Bohrung mit dem Radius durch Drehfräsen vorbearbeitet. Ein Schleifwerkzeug wäre nicht optimal geeignet, dort das nach der Wärmebehandlung vorliegende Aufmaß abzunehmen, da es keine ausreichende Schnittgeschwindigkeit im Zentrum der Bohrung erreichen könnte. Das Drehfräsen schafft jedoch in Operation 1 ein genau definiertes und so geringes Schleifaufmaß, dass ein CBN-Schleifstift es in Operation 2 in angemessener Zeit abschleifen kann. In den folgenden Operationen 3 und 4 werden Korundschleifscheiben eingesetzt. Die Schleifspindeln werden mit hoher Genauigkeit eingeschwenkt und gewährleisten die Einhaltung enger Toleranzen.Kleine Losgrößen und große Teilevielfalt erfordern es, Werkzeugmaschinen für große Werkstücke gleichermaßen flexibel und produktiv auszulegen. Weil große und schwere Werkstücke sich nur mit erheblichem Aufwand umspannen lassen und das Ausrichten sehr kompliziert und zeitraubend sein kann, ist die Komplettbearbeitung in einer Aufspannung hier besonders geeignet, Durchlaufzeiten zu verkürzen sowie in kürzerer Bearbeitungszeit höhere Genauigkeiten zu erreichen.Ein solches Schleifbearbeitungszentrum hat einen Rundtisch und mehrere Arbeitsspindeln. Die Arbeitsspindeln befinden sich auf separaten Spindelträgern. Sie werden aufgabenbezogen mit unterschiedlichen Schleifscheiben bestückt. Alternativ lassen sich auch Dreh-, Fräs- und Bohrwerkzeuge integrieren. Das Umspannen als Quelle für Fehler und Ungenauigkeiten entfällt. Dadurch lassen sich bei der Vor- und Fertigbearbeitung in einer Aufspannung die Schleifaufmaße minimieren und somit die Schleifzeiten verkürzen.Die Einsatzmöglichkeiten dieser Maschine sind sehr vielfältig. Im Bild 4 sind im linken Teil das Drehen einer Planfläche und im rechten Teil das Schleifen einer Bohrung dargestellt. Der Rundtisch ist hydrostatisch gelagert und wird durch einen Torquemotor direkt angetrieben. Er kann deshalb sowohl mit hoher Geschwindigkeit kontinuierlich rotieren, wie es zum Drehen erforderlich ist, als auch sehr genau positionieren.Damit bietet die Maschine beste Voraussetzungen zum Rundschleifen von Zylinder- und Planflächen, Profilschleifen von Nuten und Hirthverzahnungen sowie zum Drehen, Bohren und Fräsen. Wenn eine Komplettbearbeitung erfolgen soll, aber die erforderlichen Werkzeuge nicht zugleich im Arbeitsraum Platz finden, kann man Schleifbearbeitungszentren mit automatischen Werkzeugwechslern und Werkzeugmagazinen ausrüsten.Hohe Prozesssicherheit und kurze TaktzeitenMaschinen für die Serienproduktion müssen kurze Taktzeiten erzielen und hohe Prozesssicherheit bieten. Für einen multifunktionellen Einsatz müssen sie den Anforderungen unterschiedlicher Verfahren, beispielsweise Drehen und Schleifen, gerecht werden. Enge Werkstücktoleranzen und hohe Produktivitätsziele erfordern dann eine kompromisslose Auslegung als vollwertige Schleifmaschine. Dazu gehören leistungsgerechte Schleifspindeln, genaue und flexibel einsetzbare Abrichtwerkzeuge, sowie effektive Kühlschmiersysteme. Das Hartfeindrehen erfordert eine kompromisslose Auslegung als Drehmaschine mit steifen Werkzeugaufnahmen und einer für freien Spänefall günstigen Gestaltung des Arbeitsraumes.Besonders hervorzuheben sind bei der Uranos die getrennten Arbeitsräume. Die Drehspäne werden im Dreharbeitsraum und das Kühlschmiermittel im Schleifarbeitsraum zurückgehalten. Die Forderung nach kostengünstiger Automatisierung und schnellem automatischen Werkstückwechsel wird durch die Vertikalspindelbauweise mit einer in X- und Z-Richtung verfahrbaren Werkstückspindel erfüllt. Diese Bauweise ermöglicht es, mit der Werkstückspindel die Werkstücke von einem Bereitstellungsplatz, beispielsweise einem Transportband, abzuholen und nach der Bearbeitung dort wieder abzulegen.Zur Komplettbearbeitung in einer Aufspannung werden mehrere Bearbeitungsstationen und Werkzeuge nacheinander im Arbeitszyklus angefahren. Im Arbeitsraum sind neben einer Innenschleifspindel und einer Außenschleifspindel noch die Halter für zwei Drehwerkzeuge angeordnet. Wenn viele Einzeloperationen auszuführen sind, werden im Bearbeitungszyklus große Verfahrwege zurückgelegt. Ein Linearmotor, der der X-Achse eine große Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung verleiht, realisiert dann dennoch kurze Nebenzeiten.Als multifunktionale Maschine gestattet die Uranos die Integration weiterer Werkzeuge und Verfahren. Anzahl, Typen und Positionen der Werkzeuge oder Arbeitsspindeln können in bestimmten Grenzen der Bearbeitungsaufgabe entsprechend variiert und flexibel eingerichtet werden. Optional wäre es beispielsweise möglich, eine Honvorrichtung oder andere Aggregate zu installieren. Dieses Konzept verleiht eine hohe Flexibilität und legt den Betreiber noch nicht von Anfang an auf bestimmte Bearbeitungsaufgaben und -abläufe fest.Schleifen und Hartdrehen können sich ergänzenGetrieberäder erfordern oftmals mehrere Bearbeitungsschritte mit unterschiedlichen Werkzeugen. Es sind kompakte Bauteile, die sich im Futter steif und schwingungsstabil spannen lassen. Oftmals kann als Alternative oder als Ergänzung zum Schleifen das Hartdrehen eingesetzt werden. In vielen Fällen lassen sich damit ausreichende Maß- und Oberflächentoleranzen einhalten. Doch es bestehen immer noch erhebliche Einschränkungen bei hohen Anforderungen an Genauigkeit und Prozesssicherheit, die eine vollständige Substitution des Schleifens nur bedingt zulassen.Die Kombination von Drehen und Schleifen in einer Maschine zielt darauf, einzelne Flächen komplett zu drehen und andere komplett zu schleifen oder Flächen vorzudrehen und anschließend fertig zu schleifen. In solchen Kombinationen ergänzen sich die Stärken des Drehens, das sind unter anderem hohe Flexibilität und Schnelligkeit bei kurzen Schnitten, besonders vorteilhaft mit den Stärken des Schleifens, das sind vor allem hohe Genauigkeit und Schnelligkeit bei kleinen Aufmaßen.Einer Integration von Werkzeugen mit definierten Schneiden in Schleifmaschinen, vice versa von Schleifwerkzeugen in Drehmaschinen und Bearbeitungszentren, folgte die konsequente Weiterentwicklung der Maschinen zu multifunktionalen Bearbeitungszentren. Sie lassen die klassischen Grenzen zwischen den Maschinengattungen verschwimmen.Eine Zentrumsbearbeitung unter Einsatz optimaler Verfahrenskombinationen kann oftmals die Stückkosten senken. Dies darf natürlich nicht dazu verleiten, die Integrationstiefe über beherrschte Technologien hinaus zu steigern. Dabei könnte man leicht den angestrebten Gewinn an Produktivität gefährden. Aber entgegen anfänglicher Skepsis bewährt sich beispielsweise die Folge Vordrehen und Fertigschleifen zuverlässig. Sie kann die Verfahrensoptimierung erleichtern und im Vergleich zum Hartfeindrehen die Prozesssicherheit erhöhen.