Immer optimale Zerspanungsbedingung

Adaptives Kontrollsystem regelt leistungsbezogen den Vorschub beim Fräsen und Bohren. Die Bearbeitung des Bremsscheibenfreiganges eines Bremsgehäuses für Kraftfahrzeuge stellt hohe Ansprüche an die...

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Adaptives Kontrollsystem regelt leistungsbezogen den Vorschub beim Fräsen und BohrenDie Bearbeitung des Bremsscheibenfreiganges eines Bremsgehäuses für Kraftfahrzeuge stellt hohe Ansprüche an die Leistungsfähigkeit der Hauptspindel eines Bearbeitungszentrums. Der Einsatz des adaptiven Kontrollsystems ,,Optimil" ermöglicht dabei durch eine leistungsgerechte Führung des Bearbeitungsprozesses optimale Ergebnisse hinsichtlich Prozesszeit, Prozesssicherheit und Werkzeugstandzeit. Bremsgehäuse für Kraftfahrzeugscheibenbremsen sind in der Regel Werkstücke, die in großen Serien hergestellt werden. Als Werkstückwerkstoff werden hauptsächlich laminarer und sphärischer Grauguss sowie zunehmend verschiedene Aluminiumwerkstoffe eingesetzt. Die Bearbeitung dieser Werkstücke übernehmen oftmals Sondermaschinen wie Rundtaktmaschinen. Doch der Wunsch nach größtmöglicher Flexibilität und der Trend zu immer schnellerem Produktwechsel und damit hin zu kleineren, oft wechselnden Stückzahlen führt vermehrt zum Einsatz von Bearbeitungszentren als wirtschaftliche Alternative. Bearbeitungszentren ersetzen SondermaschineWährend jedoch bei der Sondermaschine für das sehr breite Spektrum an für die Bremsgehäusebearbeitung benötigten Werkzeugen, vom Bohrer mit 3 mm Durchmesser bis hin zum Scheibenfräser mit 350 mm Durchmesser, für jede Bearbeitungsaufgabe eine optimal abgestimmte Werkzeugspindel zur Verfügung steht, muss dieses Spektrum auf dem Bearbeitungszentrum mit nur einer Spindel abgedeckt werden. Das heißt, während für die kleinen Werkzeuge hohe Drehzahlen mit nur kleinen Leistungen erforderlich sind benötigen die großen Scheibenfräser zur wirtschaftlichen Fertigung des Freiganges der Bremsscheibe bei nur wenigen hundert Spindelumdrehungen hohe Antriebsmomente, im Idealfall bis zu 1600 Nm. Weil dies normalerweise die meisten Bearbeitungszentren nicht nur hinsichtlich der Hauptspindel weit überfordert, wird der Freigang oftmals im Zirkularfräsverfahren mit Fräsern kleinerer Durchmesser gefertigt. Das bedeutet jedoch eine deutliche Erhöhung der Hauptzeit gegenüber dem Einstechen mit einem Fräser mit Nenndurchmesser des Scheibenfreiganges.Simultane Bearbeitung von zwei WerkstückenUm Zukunftsperspektiven zur Bremsgehäusefertigung auf Bearbeitungszentren aufzuzeigen wurde bei der Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH ein Verbundprojekt in Zusammenarbeit mit einem Bremssystemhersteller, Werkzeuglieferanten und der Firma Omat, dem Anbieter des adaptiven Kontrollsystems Optimil, durchgeführt.Ziel des Projektes war es, unter Einsatz modernster Werkzeug-, Maschinen- und Steuerungstechnik eine hohe Wirtschaftlichkeit bei der Bremsgehäusebearbeitung zu erzielen. Ein Ansatzpunkt dieses Projektes lag dabei auf einer möglichst optimalen Anpassung des Prozesses der Freigangbearbeitung auf die durch ein Bearbeitungszentrum vorgegebenen Randbedingungen. Der aus den bereits erwähnten Gründen resultierende hohe Hauptzeitanteil dieses Bearbeitungsschrittes sollte deutlich reduziert wer-den. Als Hauptkomponenten zur Erreichung dieses Zieles wurden neben einem Standard-Bearbeitungszentrum und einem geeigneten Standardwerkzeug das adaptive Kontrollsystem OptiMil eingesetzt.Die Versuche wurden an einem GGG50-Gussrohling (Bild 1) eines aktuellen Bremsgehäuses für ein Fahrzeug der gehobenen Mittelklasse durchgeführt. Der geforderte Scheibenfreigangsradius betrug140 mm, das Aufmaß für die vorliegende Bearbeitung bewegte sich zwischen etwa 3 und 5 mm. Die Freigangbreite beträgt ungefähr 58 mm. Als Versuchsmaschine stand ein Bearbeitungszentrum des Typs BA600-2 der Schwäbische Werkzeugmaschinen GmbH zur Verfügung. Dabei handelt es sich um ein zweispindliges Bearbeitungszentrum zur simultanen Bearbeitung von zwei Werkstücken. Der Arbeitsraum beträgt 600 mm 3 600 mm 3 500 mm (Bild 2). Es steht eine Spindelleistung von zweimal 42 kW bei maximal 400 Nm Drehmoment zur Verfügung. Das Werkzeugmagazin ermöglicht die Aufnahme von zweimal 40 Werkzeugen. Die beiden auf einem schnellen horizontalen Schwenkträger montierten, mit serienmäßiger vierter Achse und jeweils acht Spannkreisen ausgerüsteten Arbeitstische ermöglichen ein hauptzeitparalleles Be- und Entladen der Werkstücke. Als Werkzeug wurde ein Scheibenfräser der Sandvik GmbH ausgewählt. Dieser bereits vielfach auf Sondermaschinen zur Bremsgehäusebearbeitung eingesetzte Fräser überzeugt, nicht zuletzt begründet durch seine große Schneidenanzahl, durch eine hohe Laufruhe und gleichmäßigen Gang. Der Durchmesser des Fräsers von 280 mm entspricht in seinem Radius dem des zu fertigenden Scheibenfreiganges des vorliegenden Bremsgehäuses. Im Laufe der Versuche zeichnete sich dieses mit Standardschneidplatten (Abmessungen 16 mm 3 16 mm 3 5 mm) ausgerüstete Werkzeug zudem durch seine extreme Robustheit auch in Überlastsituationen aus.Die Lastwerte der Spindel werden gemessenÜberwacht und optimiert wurden die Versuche mit dem adaptiven Kontrollsystem zur Vorschuboptimierung Optimill, das sich mit Steuerungen verschiedener Hersteller, beispielsweise Siemens, Fanuc, Heidenhain, koppeln lässt. Ausgegangen wird immer vom programmierten Vorschub, der 100% entspricht. Das adaptive Kontrollsystem errechnet anhand der an der Arbeitsspindel gemessenen Lastwerte, welcher Vorschub bei den gegenwärtigen Schnittbedingungen, beispielsweise Aufmaßschwankungen, Aufhärtungen oder Luftschnitte, optimal wäre und regelt den Vorschub entsprechend nach oben oder auch nach unten.Zur optimalen Abstimmung des Zusammenspiels aller beteiligten Komponenten wurde zunächst ein üblicher Standardprozess ohne adaptives Kontrollsystem realisiert. Wie erwartet konnte der eingesetzte Fräser entsprechend der Spindelleistung nur mit reduzierten Schnittwerten spanen. Besonders nachteilig zeigten sich auch große Schwankungen des Aufmaßes bei unterschiedlichen Werkstücken sowie stark unterschiedliche Werkstoffzugaben in der zu bearbeitenden Werkstückgeometrie. Als besonders problematisch ist dabei vor allem der Übergang vom Bearbeiten der Belagwand zum Fertigen des Scheibenfreiganges anzusehen. Dabei wird der Fräser zunächst durch die Belagwand nur mit wenigen Millimetern Schnitttiefe belastet, um dann nahezu schlagartig mit seiner ganzen Schneidenbreite von 16 mm ins Material des Freiganges einzutauchen. Übliche Motorspindeln, wie sie heute in modernen Bearbeitungszentren eingesetzt werden, verfügen zum einen in der Regel nicht über die hohen, hier erforderlichen Leistungsreserven und neigen auch aufgrund ihrer geringen Eigenmasse, relativ schnell zum Blockieren. Der Vorschub wird nahezu in Echtzeit angepasstUm nun diesen prozessbedingten Randbedingungen Rechnung zu tragen und zudem noch einen Abstumpfungsfaktor des Werkzeuges über dessen Lebensdauer zu berücksichtigen ist es unerlässlich, die Zerspanparameter so zu wählen, dass eine entsprechend hohe Reserve der zur Verfügung stehenden Spindelleistung vorgehalten wird, um einen sicheren und störungsfreien Prozessablauf zu gewährleisten. Das wirkt sich jedoch wiederum sehr negativ auf die benötigte Bearbeitungszeit aus.Zur besseren Nutzung dieser meist ,,ruhenden" Leistungsreserven wurde im nächsten Schritt das adaptive Kontrollsystem Optimil eingesetzt. Dieses System erfasst die aufgenommene Spindelleistung jeder der beiden hier gleichzeitig zum Einsatz kommenden Hauptspindeln. Diese Informationen werden mit dem im Vorfeld aufgenommenen einmalig durchgeführten, Lernschritt verglichen. Daraus wird dann zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung der optimale Vorschub über entsprechende implementierte Rechenalgorithmen ermittelt und in den vom Anwender jeweils vorgegebenen Grenzen nahezu in Echtzeit eingesteuert.Durch die nun optimale Nutzung der zur Verfügung stehenden Spindelleistung konnte eine Hauptzeitreduzierung allein bei diesem Bearbeitungsschritt um durchschnittlich 14% erzielt werden. Bezogen auf den gesamten Bearbeitungsprozess mit dem Einsatz von insgesamt sieben Werkzeugen, davon fünf von Optimil gesteuert, ergab sich eine Hauptzeitreduzierung von durchschnittlich 10%. Diese Maßnahme erhöht zudem die Sicherheit des Prozesses, weil das adaptive Kontrollsystem bei vorliegen ungünstiger Lastbedingungen den Vorschub rechtzeitig auf verträgliche Werte zurückregelt. Zudem ergibt sich dadurch ein positiver Einfluss auf die Standzeit der Werkzeuge, die nun problemlos bis an ihr tatsächliches Standzeitende eingesetzt werden können. Das Kontrollsystem meldet rechtzeitig den Verschleiß eines Werkzeuges, wenn die untere, vom Anwender vorgegebene, Vorschubgrenze unterschritten wird. Prozessinformationen sind grafisch aufbereitetEbenfalls ist das Kontollgerät in der Lage einen Werkzeugbruch zu erkennen. Jedoch sind hier im Vergleich zu klassischen Werkzeugüberwachungsgeräten höhere Grenzen bezüglich der noch zu überwachenden Werkzeugdurchmesser anzusetzen. Weil die aufgenommene Spindelleistung als Informationsgrundlage dient, können nur Werkzeuge überwacht werden, deren benötigte Arbeitsleistung sich von der Leerlaufleistung der eingesetzten Hauptspindeln abheben. Letztlich können aus dem Steuergerät noch verschiedene im Prozess ermittelte, werkzeugbezogene Informationen, beispielsweise Standweg, Einsatzzeit und andere Verfahrensparameter über eine Schnittstelle an einen PC oder ein Netzwerk übertragen werden. Es sind nicht nur statistische Auswertungen möglich, sondern auch der Abruf aktueller, grafisch aufbereiteter Informationen über den laufenden Zerspanungsprozess.