Verfahrensintegration Komplettfertigung auf einer Werkzeugmaschine verkürzt Prozesszeiten

Zeit ist Geld, vor allem in der Fertigung. Ziel von Fertigungsplanern ist es deshalb, die Effizienz in der Produktion zu steigern. Eine Möglichkeit, die Prozess- und Durchlaufzeiten – und damit die Kosten – beim Fertigen von Werkstücken zu verringern, ist die Komplettfertigung auf einer Maschine.

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Baß Antriebstechnik GmbH

Hermann Kemper GmbH & Co. KG - Hersteller für CNC Drehteile

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Fritz Studer AG

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

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Kürzere Lieferzeiten, sinkende Losgrößen und komplexer werdende Bauteile in großer Variantenvielfalt – diese Trends in der Fertigung beeinflussen auch die Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen. Ziel von Anwendern ist es, Werkstücke auf einer Maschine möglichst komplett zu fertigen. Das senkt die Durchlaufzeiten und damit die Kosten. Auch die Fertigungsgenauigkeit erhöht sich, weil Fehler durch das Umspannen vermieden werden können.

Ein Mittel der Wahl zur Reduzierung der Prozess- und Durchlaufzeiten beim Fertigen von rotationssymmetrischen Teilen ist die Komplettfertigung durch Verfahrensintegration. Mittlerweile etabliert ist das Duo „Hartdrehen und Schleifen“. Mit dieser Kombinationsbearbeitung auf einer Maschine kann im Vergleich zur herkömmlichen Schleifbearbeitung einer Welle die Fertigungszeit um bis zu 45% reduziert werden, so ein Ergebnis der Fritz Studer AG im schweizerischen Thun. Ebenfalls in der Praxis bewährt hat sich das Dreh- und Verzahn-Bearbeitungszentrum Emag VSC 250 Duo WF, das aus Schmiederohlingen direkt härtbare Zahnräder fertigt. Nach dem Drehen erfolgen das Hochleistungs-Wälzfräsen und das Druckwälz-Entgraten der Verzahnung gleichzeitig von beiden Seiten.

Hartdrehen und Kurzhubhonen kombiniert

Noch im Projektstadium befindet sich die Kombination „Hartdrehen und Kurzhubhonen“, beispielsweise für die Fertigung von Lagerringen. „Werden beide Prozesse aufeinander abgestimmt, sind erhebliche Rauheitsverbesserungen Ra von 0,02 bis 0,04 µm möglich“, stellt Jens Helbig, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen, fest. Seiner Erfahrung nach kann die Substitution einer reinen Hartdreh-Bearbeitung von Zylinderrollenlager-Laufflächen durch diese neue Prozesskombination sowohl die Werkzeugkosten als auch die Fertigungszeit um satte 80% senken.

In der Entwicklungspipeline der Aachener Forscher steckt auch ein Verfahrensduo der besonderen Art, nämlich Schleifen mit Ultraschallunterstützung. Gerade beim Bearbeiten sprödharter Werkstoffe wie Hochleistungskeramik oder Glas mit hohen Anforderungen an die Oberflächengüte sowie an Maß- und Formgenauigkeit kann das ultraschallunterstützte Schleifen seine Stärken ausspielen. „Zweck des Ultraschalls ist in erster Linie das Reduzieren der Bearbeitungskräfte; das ermöglicht entweder höhere Vorschubgeschwindigkeiten und damit größere Zeitspanvolumina oder die Fertigung feinerer Strukturelemente“, erläutert IPT-Wissenschaftler Andreas Weber.

So konnte bei der Endbearbeitung eines Formeinsatzes für Umformwerkzeuge aus der schwer zerspanbaren Hochleistungskeramik Si3N4 die Passivkraft um 70% reduziert werden. „Diese Prozesskraftreduzierung konnte genutzt werden, um das maximal erreichbare Zeitspanungsvolumen nahezu zu verdoppeln“, konkretisiert Weber den Produktivitätsfortschritt.

„Die Komplettbearbeitung eines Bauteiles auf einer Maschine und in einer Aufspannung ist in fast allen Anwendungsfällen gegeben“, weiß Dr.-Ing. Hans J. Naumann, geschäftsführender Gesellschafter der Niles-Simmons-Hegenscheidt GmbH in Chemnitz. Die Aufgabe für den Maschinenhersteller bestehe darin, durch Verfahrensintegration die Möglichkeit der Komplettbearbeitung zu schaffen. Dazu gehöre ein hoher Wissensstand auch auf dem Gebiet des Anwenders, der es möglich mache, die Bearbeitungstechnologie den Bauteilen anzupassen. „Diese Fähigkeit bedeutet übrigens einen großen Vorteil für die deutsche Werkzeugmaschinenindustrie, insbesondere für die Zukunft“, ist Naumann überzeugt.

CNC-Dreh-Fräs-Bohr-Zentrum mit zweitem Werkzeugwechsler

Sein Unternehmen präsentierte auf der EMO erstmals das weiterentwickelte CNC-Dreh-Fräs-Bohr-Zentrum N 40 MC. „Das Besondere ist“, so Naumann, „dass zusätzlich zum üblichen Werkzeugwechsler mit 144 Plätzen noch ein zweiter Werkzeugwechsler für lange Bohrstangen vorhanden ist.“ Die Komplettbearbeitung, einschließlich Tiefbohroperationen, ist damit möglich. Das Bohrstangenmagazin nimmt sieben Bohrstangen mit einem Gewicht von jeweils 150 kg und 2000 mm Länge auf. Der Wechsel der Bohrstangen erfolgt automatisch. Außer dem herkömmlichen Tiefbohren ist auch der Einsatz von NC-Bohrstangen vorgesehen. „Dabei wird die Werkzeugschneide über eine unabhängige NC-Achse programmiert und kann zusammen mit der horizontalen Bewegung des Bettschlittens komplexe Innenkonturen mit Hinterschnitten bis zu einer Tiefe von 2000 mm und mit Oberflächenqualitäten von 1,2 µm und besser erzeugen“, erläutert der Firmenchef.

Freilich, es muss nicht gleich die Integration eines weiteren Fertigungsverfahrens sein, um den Bearbeitungsbereich von Dreh-Fräs-Zentren zu erweitern. Eine relativ einfache Möglichkeit, den Grad der Komplettbearbeitung auf solchen Maschinen zu erhöhen, nutzt die L‘Orange GmbH in Glatten. Aus den Erfahrungen mit U-Achs-Systemen Komtronic der Komet Group GmbH in Besingheim auf Bearbeitungszentren entstand die Idee, die üblicherweise als Fräsachse arbeitende Spindel in einem Dreh-Fräs-Zentrum mit einem solchen System auszurüsten und so einen zusätzlichen Freiheitsgrad für die Drehoperationen zu schaffen. Mit dem U-Achs-System können nun komplexe Innenkonturen prozesssicher ausgespindelt werden. Wie bei Bearbeitungszentren sind die U-Achs-Systeme aus dem Werkzeugmagazin des Dreh-Fräs-Zentrums automatisch einwechselbar.

Gegenhalter ermöglicht Stirnseitenbearbeitung

Auch bei vertikalen Bearbeitungszentren gibt es noch Spielraum, um den Grad der Komplettbearbeitung zu steigern, zumindest was die Bearbeitung langer, schlanker Werkstücke angeht. Um die Umfangs- und Stirnseiten-Bearbeitung solcher Teile in einer Aufspannung zu ermöglichen, haben sich die Entwicklungsingenieure des Gosheimer Werkzeugmaschinenherstellers Hermle eine pfiffige Lösung einfallen lassen: Ein automatischer Gegenhalter mit einer über das NC-Programm automatisch schwenkbaren, mitlaufenden Spitze, die für die Stirnseitenbearbeitung um 90° geschwenkt werden kann, ermöglicht zusätzlich zur fünfachsigen Umfangsbearbeitung auch die Stirnseitenbearbeitung.

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