Kombimaschine Dreh-Fräs-Zentrum mit Lasersystem verkürzt Fertigung komplexer Werkstücke

Die Integration von Fertigungsverfahren in einer Werkzeugmaschine ermöglicht in einer Aufspannung die wirtschaftliche Bearbeitung von komplexen Werkstücken in kurzer Zeit. Im Rahmen des Projekts Kombi-Masch wurde das Dreh-Fräs-Zentrum Uni-Cen 504 für die Weich-, Hart- und Laserbearbeitung von rotationssymmetrischen Teilen entwickelt.

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Werkzeugmaschinen sind in der Regel stark spezialisiert, es wird nur ein Fertigungsverfahren in einer Maschine umgesetzt. Der Markt dagegen fordert bei kürzeren Lieferzeiten und sinkenden Losgrößen immer komplexere Bauteile in einer hohen Variantenvielfalt. Rotationssymmetrische Bauteile werden heutzutage - besonders bei hoher Beanspruchung - in mehreren Schritten auf verschiedenen Maschinen gefertigt: Weichbearbeitung (Drehen, Fräsen, Bohren), Härten/Beschichten, Hartbearbeitung (Drehen, Fräsen). Der Einsatz spezialisierter Maschinen verursacht dabei lange Durchlaufzeiten und logistischen Aufwand.

Im Rahmen des Projekts Kombi-Masch wurde eine Werkzeugmaschine für rotationssymmetrische Bauteile entwickelt, die eine Verkürzung der Prozesskette durch Verfahrenskombination erreicht. Die erfolgreiche Projektbearbeitung wird gewährleistet durch die Kompetenzen der Projektpartner in den betroffenen technologischen Bereichen und in der Anwendung: A. Monforts Werkzeugmaschinen GmbH & Co. KG (Maschine), Laserline GmbH (Lasertechnik), Precitec KG (Sensortechnologie), Exapt GmbH (CAD/CAM-Kopplung), Fraunhofer IPT (Laserintegration, technologische Untersuchungen), Sempell AG (Anwendung: Armaturenfertigung).

Die auf der EMO Hannover 2007 vorgestellte Maschine vereint die konventionelle Weichzerspanung, die Laserbearbeitung (härten, beschichten und legieren) sowie auch die Hartzerspanung in einer Maschine. Dies ermöglicht eine Komplettbearbeitung in einer Aufspannung. Die Vorteile liegen auf der Hand: Der Fertigungsablauf (Rüst-, Transport- und Liegezeiten) verkürzt sich, die Kosten (Logistik, Maschinenauslastung) gehen zurück, dafür steigt die Produktqualität (automatisierte Abläufe in einer Aufspannung). Die kombinierte Maschine wird dort am sinnvollsten eingesetzt, wo es auf kurze Lieferzeiten und eine flexible Reaktion auf Kundenwünsche ankommt: bei kurzfristiger Ersatzteilfertigung und im Prototypenbau.

Maschinenkonzept ist modular aufgebaut

Für die Komplettbearbeitung durch Verfahrensintegration wurde ein neues Dreh-/Fräszentrum Uni-Cen 504 nach dem Baukastenprinzip konstruiert (Bilder 1 bis 3):

• Haupt- und Gegendrehspindel,
• oberer Werkzeugträger als schwenkbare Motorfrässpindel mit Freiheitsgraden in drei Linearachsen,
• Werkzeugwechsler und Werkzeugmagazin,
• unterer Werkzeugträger als Werkzeugrevolver,
• Reitstock und Lünette,
• je ein Vorsatzkopf zum Laserhärten und zum Laserbeschichten.

Die Motorfrässpindel hat Freiheitsgrade in der X-, Y-, Z- und B-Achse. Damit lassen sich beliebige Positionen präzise anfahren. Die Vorsatzköpfe für die Laserbearbeitung werden in die HSK-Aufnahme des oberen Werkzeugträgers (Motorfrässpindel) aufgenommen. Damit stehen für die Laserbearbeitung alle Freiheitsgrade zur Verfügung. Für eine erhöhte Steifigkeit bei der Zerspanung ist eine Verrastung der B-Achse und auch der Motorfrässpindel mit einer Haltebremse möglich. Eine interpolierende Bearbeitung mit allen Achsen ermöglicht die Herstellung sehr komplexer Geometrien.

Die Maschine ist mit einem Tellermagazin ausgestattet, das durch die Anzahl der eingesetzten Scheiben eine skalierbare Anzahl von Werkzeugen verwalten kann. Im maximalen Ausbau sind 108 Werkzeuge möglich. Der NC-Werkzeugwechsler bestückt die Motorspindel mit den Werkzeugen aus dem Magazin und sorgt mit schnellen Eilgängen für kurze Span-zu-Span-Zeiten.

Laserkomponenten sind außerhalb des Arbeitsraums

Die Lasertechnik ist aufgrund der eingesetzten optischen Komponenten besonders empfindlich gegen die „Randbedingungen“ der Zerspanungstechnik: Späne und Kühlschmiermittel. Deshalb werden die Laserkomponenten und die empfindlichen Energieführungen bei Kombi-Masch außerhalb des Arbeitsraums untergebracht, wenn sie nicht im Eingriff sind. Die Energieführungen des Lasers befinden sich in einem Schutzschlauch, der ebenfalls die Aufgabe der Zugentlastung übernimmt.

Die Lagerung des Schutzschlauches ermöglicht alle Freiheitsgrade der Maschinenbewegung auch für die Laserbearbeitung. Das Sicherheitskonzept für die Laserschutzeinrichtungen wurde so gestaltet, dass bei der Zerspanung keine Einschränkungen bei der Maschinenbedienung bestehen. Die Laser-Sicherheitsscheiben können beim Zerspanungsbetrieb entfernt werden. Damit dies beim Laserbetrieb nicht zu Verletzungen führt, wird die Position der Laserschutzeinrichtungen von der Maschinensteuerung sicher überwacht.

Hydrostatische Säulenführung positioniert Stick-Slip-frei

Monforts setzt bei der Kombinationsmaschine auf das bewährte Konzept der hydrostatischen Säulenführung. In der Kombi-Masch hat dies besonders für die Hartbearbeitung Vorteile. Die wartungs- und verschleißfreie Führung arbeitet ohne Reibkontakt. Der Stick-Slip-Effekt tritt nicht auf, was sich bei kleinsten Verfahrbewegungen günstig auswirkt. So können auch Weginkremente von 1 µm Stick-Slip-frei verfahren werden. Der Längsschlitten bewegt sich dazu sehr gleichmäßig. Dies macht sich in sehr guten Oberflächeneigenschaften beim Hartdrehen bemerkbar. Der dünne Ölfilm zwischen Bohrung und Säule verleiht der Maschine zudem gute Dämpfungseigenschaften.

Beim Laserstrahlhärten werden beispielsweise lokal beanspruchte Wellenbereiche (Lagersitze, Passfedernuten oder Keilnutverbindungen) martensitisch gehärtet, um den Verschleiß zu reduzieren. Der Vorteil gegenüber anderen Randschicht-Härteverfahren ist die geringe und gezielte Energieeinbringung. Das Nachbearbeitungsaufmaß kann reduziert werden. Durch den ortsselektiven Härtevorgang werden zudem Bauteile an anderen Stellen nicht unnötige spröde gemacht.

Zur Führung des Laserstrahls beim Härten wird ein Scannersystem eingesetzt. Damit können in Verbindung mit der rotierenden C-Achse der Maschine variable Spurbreiten erzeugt werden. Bei stehender C-Achse können mit dem Scannersystem sogar frei definierte Flächen gehärtet werden.

Beim Laserstrahlbeschichten und -legieren werden Oberflächenschichten mit variablen, anwendungsspezifischen Eigenschaften erzeugt. Dabei werden niedrigschmelzende Zusatzwerkstoffe aufgetragen, beispielsweise zum Verschleiß- und Korrosionsschutz. Die Lasertechnik bietet dabei deutliche Prozessvorteile gegenüber anderen Beschichtungsverfahren, unter anderem die hohe Geometrietreue. Das erforderliche Zusatzmaterial wird in Drahtform an das Werkstück gebracht und dort mit dem Laser aufgeschmolzen. Diese Materialform bietet gegenüber der Pulveralternative den Vorteil, dass keine Feinstäube in die Maschine eingebracht werden, die die Funktionsfähigkeit von Maschinenelementen beeinträchtigen können.

Als Element der Qualitätssicherung beim Beschichten wird zur Kontrolle der Beschichtungsraupe ein Laser-Lichtschnitt-Sensor eingesetzt. Durch die prozessintegrierte Messtechnik kann die Fertigung von Ausschuss schnell und lückenlos erkannt werden. So wird verhindert, dass in folgenden Bearbeitungsschritten gegebenenfalls unnötige Mehrkosten erzeugt werden.

Benutzerunterstützung mit CAM-System

Die Verfahrensintegration erhöht die Komplexität der Maschine, die Forderungen an die NC-Programmierung und Maschinenbediener steigen. In der Regel ist das Personal nur auf ein Fertigungsverfahren spezialisiert. Deshalb muss die Programmerstellung automatisiert werden. Für einen praxistauglichen Einsatz wird auf eine durchgängige CAD/CAM-Kopplung gesetzt. Ein Planungswerkzeug umfasst alle betroffenen Prozesse und erstellt das Bearbeitungsprogramm „aus einem Guss“.

Dr. Dominic Deutges ist Konstruktionsleiter der A. Monforts Werkzeugmaschinen GmbH & Co. KG in 41238 Mönchengladbach, Tel. (0 21 61) 4 01-0, info@a.monforts.de. Das Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert und vom Projektträger Forschungszentrum Karlsruhe PTKA-PFT betreut.

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