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5-Achs-Simultanbearbeitungszentren Digitale Werkzeuge für die Maschinenentwicklung

| Autor / Redakteur: Dennis Korff und Dal Ho Lee / Mag. Victoria Sonnenberg

Durch die zunehmende Dynamik der Märkte herrscht ein hoher Druck auf Anbieter von Werkzeugmaschinen. Moderne Methoden erlauben es, diesen Anforderungen durch Anwendung von digitalen Werkzeugen bereits in frühen Phasen der Entwicklung gerecht zu werden.

Bild 1: Das 5-Achs-Bearbeitungszentrum XF2000 von Hyundai.
Bild 1: Das 5-Achs-Bearbeitungszentrum XF2000 von Hyundai.
(Bild: Hyundai )

Die Verkürzung der Lebenszyklen moderner Produkte, aber auch neue Konkurrenten aufsteigender Industrienationen fordern Hersteller heraus, ihre Entwicklungszeiten und -kosten bei gleichzeitigem Beibehalten der Maschinenqualität deutlich zu reduzieren. Welche Vorteile durch Anwendung von digitalen Werkzeugen in frühen Phasen der Entwicklung erreicht werden können, soll beispielhaft am Entwicklungsprozess des neuen Bearbeitungszentrums XF2000 für die hochdynamische 5-Achs-Simultanbearbeitung kleinerer Bauteile aufgezeigt werden (Bild 1). Die gewählte Referenzanwendung für diese neue Werkzeugmaschine ist die Bearbeitung eines Turbolader-Verdichterrads, auch Impeller genannt, der Automobilindustrie.

Bild 2: Einflussbereiche auf die Ausgestaltung der Werkzeugmaschine.
Bild 2: Einflussbereiche auf die Ausgestaltung der Werkzeugmaschine.
(Bild: Hyundai )

Die aus dieser Anwendung abgeleiteten Anforderungen an die Bearbeitungsmaschine ergeben sich aus den geforderten Bearbeitungszeiten, der geometrischen Genauigkeit, der Unwucht und der Oberflächenrauigkeit des zu fertigenden Bauteils. Hier spielen insbesondere die dynamischen Eigenschaften der Maschinenstruktur wie auch der Achsantriebssysteme eine bedeutende Rolle. Im Rahmen der Maschinenentwicklung gilt es somit bereits frühzeitig zwei bedeutende Fragestellungen zu betrachten (Bild 2):

  • Welche Antriebskenngrößen (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck) ergeben sich aus der Geometrie des Bauteils und der geforderten Bearbeitungszeit?
  • Welche dynamischen Steifigkeiten muss die Maschine am Tool Center Point (TCP) aufweisen und wie können diese durch entsprechende Wahl der Maschinenstruktur und Achsantriebskomponenten erreicht werden?

NC-Programm via CAM-System erstellen

Zur Beantwortung der ersten Fragestellung ist es erforderlich, dass zunächst auf Basis des Grobkonzepts der Maschinenstruktur und Achskonfiguration sowie der 3D-Geometrie des Impellers ein NC-Programm der Bearbeitung mittels CAM-System erstellt wird. Die im NC-Programm vorliegende Bahnlänge des Fräsprozesses und die gewünschte Bearbeitungszeit ergeben die minimal erforderliche Bahngeschwindigkeit des Werkzeugs. Hieraus lassen sich mittels NC-Simulation unter Anwendung eines virtuellen NC-Kerns die erforderlichen Vorschubgeschwindigkeiten, Beschleunigungen und Ruckwerte der beteiligten Vorschubachsen ableiten. In Bild 3 sind die berechneten Werte für die Schruppbearbeitung des Impellers zusammengefasst. Die maximal zulässige Bearbeitungszeit für den Schruppprozess ist hierbei auf 40 Sekunden festgelegt.

Bild 3: Berechnete Achsparameter für die Schruppbearbeitung.
Bild 3: Berechnete Achsparameter für die Schruppbearbeitung.
(Bild: Hyundai )

Es zeigt sich, dass Vorschubgeschwindigkeiten von 50 m/min, Beschleunigungen von 20 m/s² und Ruckwerte bis 1000 m/s³ zur Zielerreichung erforderlich sind. Dementsprechend sind diese Kennwerte als Randbedingung für die Auslegung der translatorischen Antriebssysteme zu wählen. Analog dazu ist die Analyse der rotatorischen Achsen durchzuführen.

Mittels mechatronischer Simulation das dynamische Eigenverhalten ermitteln

Bezüglich der genannten zweiten Fragestellung ist es erforderlich, mittels einer umfassenden mechatronischen Simulation des Maschinenentwurfs das dynamische Eigenverhalten unter Berücksichtigung der Einflussbereiche mechanische Struktur, Antriebsstrang und Maschinensteuerung zu ermitteln.

Erst hierdurch lässt sich eine möglichst genaue Abbildung des Maschinenverhaltens in einer frühen Phase der Entwicklung erreichen und somit können teure Iterationen bei der Prototypumsetzung vermieden werden. Im Konkreten erfolgt die Abbildung der Maschine im Simulationsmodell durch eine Kombination aus der Finite-Elemente-Methode zur Betrachtung des Strukturverhaltens sowie der numerischen Repräsentation der Antriebssysteme inklusive der Regelstrecken (Bild 4).

Bild 4: Aufbau des Simulationsmodells.
Bild 4: Aufbau des Simulationsmodells.
(Bild: Hyundai )

Die große Herausforderung hierbei stellt nicht das Erstellen des Simulationsmodells an sich dar, sondern die korrekte Wahl der Einflussparameter auf das Gesamtverhalten der Maschine. Diese schließen die Einzelsteifigkeiten der im Kraftfluss liegenden Komponenten wie auch die meist nur sehr schwierig abzuschätzenden Dämpfungseigenschaften mit ein. Aus diesem Grund umfasst die ganzheitliche Betrachtung des Maschinenverhaltens nicht nur die simulationstechnische Berechnung während der Entwicklungsphase, sondern auch die messtechnische Untersuchung des final in Realität umgesetzten Prototyps. Die Vorteile, die sich durch Anwendung dieser Vorgehensweise ergeben, sind zum einen der Kenntnisgewinn über den Einfluss mechanischer Kenngrößen (Steifigkeit, Dämpfung) auf das Maschinenverhalten. Zum anderen kann hierdurch die Genauigkeit des Simulationsmodells bei zukünftigen Entwicklungen deutlich erhöht und damit das reale Maschinenverhalten sehr genau vorhergesagt werden.

Mit diesen Methoden zu einem hochdynamischen Bearbeitungszentrum

Mithilfe der beschriebenen Methoden konnte mit der XF2000 ein hochdynamisches Bearbeitungszentrum umgesetzt werden, welches im Fall von Schruppbearbeitungen Ruckwerte von bis zu 1500 m/s³ bei einer dynamischen Relativabweichung zwischen TCP und Werkstück von < 5 µm garantiert und bei Schlichtprozessen trotz hoher Genauigkeitsanforderungen von < 0,5 µm Ruckwerte von 200 m/s³ umsetzen kann. Dies erlaubt es, die Bearbeitung zum Beispiel von komplexen Impellergeometrien hochdynamisch umzusetzen. Die Bearbeitung des Aluminiumimpellers erfolgt mittels eines zweistufigen Prozesses.

Zunächst werden die Kanäle zwischen den Schaufeln und Splittern mittels Schruppbearbeitung erzeugt. Anschließend werden die Schaufel- und Splitterflächen zur Erreichung der gewünschten Geometrie geschlichtet. Zur Anwendung kommen kegelförmige Vollhartmetallfräser mit einem Spitzenradius von 1 mm. In Bild 5 ist die Bearbeitungssituation nach dem Schruppvorgang vor Beginn des Schlichtprozesses dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die Überkopfposition des Impellers für eine optimale Entsorgung der Späne. Durch Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Dynamiken der Achsen und entsprechende Optimierung des NC-Programms und der Prozessparameter können mit der XF2000 Bearbeitungszeiten von deutlich unter drei Minuten erreicht werden.

Die Überprüfung der Geometrie des dabei erzeugten Bauteils kann aufgrund der Komplexität nur durch Anwendung moderner optischer Methoden erfolgen. Zur Anwendung kommt eine optische 3D-Messtechnik. Dabei wird der zuvor mit Referenzmarken und Mattierungsspray präparierte Impeller dreidimensional aus verschiedenen Perspektiven erfasst. Daraus lassen sich die räumlichen Koordinaten der Oberflächenpunkte des Bauteils errechnen. Eine anschließende Überlagerung und ein geometrischer Abgleich mit dem digitalen 3D-Modell erlaubt die Beurteilung der geometrischen Qualität des erzeugten Impellers (Bild 5, rechts).

Bild 5: Bearbeitungssituation in der Maschine und Ergebnisse der geometrischen Vermessung des gefertigten Impellers.
Bild 5: Bearbeitungssituation in der Maschine und Ergebnisse der geometrischen Vermessung des gefertigten Impellers.
(Bild: Hyundai )

Die Messergebnisse zeigen eine hohe geometrische Genauigkeit mit nur kleinen Bereichen an der oberen Blade-Kante, die an die Toleranzgrenze von + 0,05 mm stoßen. Durch Anwendung weiterer Optimierungsschritte können jedoch auch hier höhere Genauigkeiten erreicht werden.

Ermittlung der Oberflächenwerte mittels Tastschnittgerät

Neben der geometrischen Genauigkeit stellt die Oberflächenrauigkeit auf den Blades ein wichtiges Qualitätskriterium dar. Die Oberflächenwerte werden mittels eines Tastschnittgeräts ermittelt. Die Ergebnisse zeigen, dass sich sowohl in Strömungsrichtung als auch quer dazu sehr geringe Rauheitswerte ergeben, die weniger als 20 % des erlaubten Wertes betragen. Dies lässt auf einen äußerst ruhigen Bearbeitungsprozess ohne Schwingungen rückschließen.

Schnelldrehende Impeller stellen besondere Anforderungen an ihre Wuchtgüte. Um den Wuchtaufwand nach der Bearbeitung gering zu halten, sollen bereits durch die Bearbeitung hohe Unwuchtwerte vermieden werden. Zielwerte von Unwuchten nach der Bearbeitung liegen bei dieser Impellergröße bei < 0,1 gmm. Die durchgeführten Wuchtprüfungen an mit der XF2000 gefertigten Impellern zeigen erreichbare Unwuchten von < 0,1 gmm. Damit können die definierten Grenzwerte gut eingehalten werden.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass durch Anwendung einer systematischen Vorgehensweise in den frühen Phasen der Maschinenentwicklung und durch Anwendung moderner Simulationsmethoden während der Konstruktionsphase bereits frühzeitig die Leistungsfähigkeit der Maschine abgeschätzt werden kann. Dies erlaubt die gezielte Anpassung der Konstruktion zur späteren Zielerreichung. Die XF2000 zeigt, dass es durch Anwendung dieses Vorgehens möglich ist, ein leistungsstarkes Bearbeitungszentrum zu entwickeln, welches im Fall der Impellerbearbeitung die hohen Anforderungen erfüllt beziehungsweise sogar deutlich übertrifft.

* Dr.-Ing. Dennis Korff ist Head of Research & Development, Dr.-Ing. Dal Ho Lee ist Geschäftsführer des Europe Development & Design Centers, beide bei der Hyundai WIA Corp in 65479 Raunheim, Tel. (0 61 42) 3 30 96-0, info-eddc@hyundai-wia.com

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