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Präzise Oberflächen Neue Superfinish-Technik umgesetzt

| Autor / Redakteur: Bernhard Kreutzer / Andrea Gillhuber

Superfinish ermöglicht es, die Präzision von Werkstücken signifikant zu erhöhen. Erst durch Anwenden dieser Technik konnte eine neue Baureihe von Kugelgewindetrieben auf den Markt gebracht werden.

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Die Mikrofinish-Maschine von Thielenhaus in der Produktion von Steinmeyer. Die Bedienoberfläche wurde mit dem Siemens-Tool, HMI Pro, ganz besonders übersichtlich gestaltet.
Die Mikrofinish-Maschine von Thielenhaus in der Produktion von Steinmeyer. Die Bedienoberfläche wurde mit dem Siemens-Tool, HMI Pro, ganz besonders übersichtlich gestaltet.
(Bild: Siemens)

Schleifen kennt jeder Fertigungstechniker. Beim Superfinishen sieht es anders aus. Viele haben schon etwas davon gehört – relativ wenige setzen es ein. Aber die Tendenz ist steigend. Je höher die Anforderungen an die Werkstücke werden, desto eher greift man zum Superfinishen, weil sonst die Grenzen der mechanischen Bearbeitung kaum mehr überwunden werden können.

Mithilfe von Feinstbearbeitungstechnologien wird

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  • die Form der Werkstücke verbessert,
  • die Oberflächenrauigkeit deutlich gemindert,
  • die Feinwelligkeit, die durch das Schleifen entsteht, beseitigt,
  • die Geräuschentwicklung laufender Teile gesenkt.

Einer der weltmarktführenden Hersteller auf diesem Gebiet ist die Thielenhaus Technologies GmbH in Wuppertal. Das Unternehmen baut Superfinish- Maschinen (hier übrigens Mikrofinish-Maschinen genannt) und -Anlagen für die verschiedensten Werkstücke. Und immer genau passend zur jeweiligen Kundenanforderung. So ist auch eine Maschine für die Feinstbearbeitung an Kugelgewindetrieben für den Einsatz bei der H. Steinmeyer GmbH & Co. KG, Albstadt, entstanden.

August Steinmeyer hat sein Unternehmen 1922 im schwäbischen Albstadt gegründet. Die mechanische Werkstatt hat sich bald besonders auf präzise Bauteile spezialisiert. Ein Meilenstein der Firmengeschichte war der Einstieg in die Herstellung von Messschrauben (Mikrometern). Im Laufe der Zeit entstanden Messschrauben in allen möglichen Varianten und Größen.

Präzision, wo es darauf ankommt

„Mikrometer waren rund 40 Jahre lang das Produkt des Hauses“, sagt Steffen Kopp, Technologe bei Steinmeyer. Für diese Messgeräte hat das Unternehmen hochpräzise Spindeln gebraucht, denn davon hängt die Messgenauigkeit ab. Aus dem Know-how und der Erfahrung dieser Spindeln haben sich dann, ab 1965, die jetzigen Kugelgewindetriebe entwickelt. Die Vorteile Letzterer überzeugten nicht nur im Hause Steinmeyer, sondern bald auch viele andere Maschinen-, Anlagen- und Apparatebauer. Der Bedarf war groß und bei Steinmeyer wurden diese Antriebselemente zum Hauptprodukt.

Heute gibt es ein Spektrum von Kugelgewindetrieben, das von 3 bis 160 mm Durchmesser reicht. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern eingesetzt, etwa im Maschinenbau, in der optischen Industrie, in der Medizintechnik oder in der Luft- und Raumfahrttechnik. Darüber hinaus wurden noch zwei Unternehmen in Dresden und Suhl übernommen, die sich mit Positioniertechnik und Präzisionsmesstechnik beschäftigen, sodass die Mitarbeiterzahl in der Gruppe mittlerweile bei 750 liegt.

Wer wie Steinmeyer das Ziel hat, „My-genau“ (1/1000 mm) zu fertigen, der muss dafür die nötigen Maschinen, Hallen, Messsysteme, Klimatisierung und so weiter bereitstellen. Das ist hier der Fall. Um alle Schlüsseltechnologien selbst in der Hand zu haben, ist die Fertigungstiefe sehr hoch und die hochgenauesten Fertigungsmöglichkeiten sind gerade gut genug.

„Bisher war dies das Schleifen, nun reicht auch das nicht mehr aus“, so Kopp. Deshalb ist das Unternehmen einen Schritt weiter gegangen und in die Feinstbearbeitung eingestiegen. Vorbereitet wurde dieser Schritt „schon während der letzten Jahre“, wie Steffen Kopp betont. „Wir haben es zunächst über die Optimierung der bestehenden Prozesse versucht und sind dann auch damit an Grenzen gestoßen.“

Feinbearbeitung überwindet Grenzen

Dann haben die Schwaben verschiedenste Varianten der Feinstbearbeitung ausprobiert, wie beispielsweise Läppen und Polierschleifen, und sind dann auf die Lösung der Firma Thielenhaus gestoßen, nämlich Mikrofinish mit einem Stein als Werkzeug. „Das hat mit Abstand zu den besten Ergebnissen geführt“, so Kopp.

Anschließend begann die Auslegung und Realisierung der konkreten Maschine in enger Zusammenarbeit.

Bekanntlich spielt bei der Feinstbearbeitung die Oszillation des Werkzeugs eine entscheidende Rolle. Thielenhaus hat dies seit über 10 Jahren auch für Gewinde- und Kugelgewindeformen umsetzen können. Heute ist man in der Lage, bei der Oszillation bis zu 4000 Doppelhübe pro Minute zu realisieren. „Mit eine der größten Herausforderungen für uns war es, dies für das große Produktspektrum von Steinmeyer zu realisieren, nämlich für Kugeldurchmesser von 0,6 bis hinauf zu 9 mm“, sagt Sascha Mores, Leiter der Elektrokonstruktion bei Thielenhaus.

Um dieses Zentralelement herum entstand eine Maschine aus dem Baukasten der Centerstar-Baureihe von Thielenhaus. Sie wurde speziell aufgelegt, um wellenförmige Teile zu bearbeiten. Geschweißte Grundgestelle, Flachführungen mit vorgespannten Wälzelementen, Antriebe mit Kugelumlaufspindeln und Servomotoren sowie sehr steif ausgelegte Spindel- und Reitstöcke sorgen für die nötige Vibrationsarmut bei gleichzeitiger Performance. Die Maschinen sind vollkommen eingehaust, haben aber große Türen für die Beladung von vorne und von oben.

Siemens liefert Automatisierungstechnik

Für die elektrotechnische Auslegung seiner Maschinen arbeitet Thielenhaus zumeist eng mit Siemens zusammen. Die Betreuung durch die Niederlassungen in Essen und Köln bezeichnet Sascha Mores als „sehr gut und partnerschaftlich über viele Jahre hinweg“. Besonders lobt Mores die Hotline von Siemens, die, wie er sagt, öfter von Thielenhaus frequentiert wird.

Auch für diese nicht alltägliche Bearbeitung liefert die CNC-Steuerung Sinumerik 840D sl die nötigen Funktionen. Die Steuerung bietet zudem ein integriertes Sicherheitskonzept, Safety Integrated, welches bei der vorliegenden Maschine in der Stufe „advanced“ eingesetzt wird.

Die Sinumerik 840D sl läuft bekanntlich auf der Hardware der Antriebe Sinamics S120, die auch hier zum Einsatz kommt und vier NC-Achsen steuert. Als Servomotoren hat Thielenhaus die Baureihe 1FK7 zum Einsatz gebracht. Für die nötige Kommunikation sorgt das Profinet mit den Anschlüssen über Drive Cliq.

Die gesamte Bedienoberfläche für Steinmeyer entwickelte Thielenhaus mit dem Tool HMI PRO von Siemens, „das es erlaubte, eine genau aufgabenorientierte und zugleich einfach zu bedienende Mensch-Maschine-Schnittstelle zu realisieren“, so Mores. Damit war die Zusammenarbeit mit Siemens aber noch nicht zu Ende: Der Steuerungs- und Automatisierungsspezialist lieferte außerdem den kompletten Schaltschrank für die genannte Maschine.

Feinstbearbeitung lohnt sich

Standard-Kugelgewindetriebe, die nach dem Schleifen nicht feinstbearbeitet werden, zeigen auf der Laufbahnoberfläche mikroskopische Unregelmäßigkeiten. Außerdem entsteht durch das Schleifen eine gewisse Feinwelligkeit. Das führt zu Vibrationen und Geräuschbildung, insbesondere bei hohen Drehzahlen.

„Mit unseren neuen Fertigungsmöglichkeiten der Feinstbearbeitung kann nun die Oberflächenrauigkeit der Spindellaufbahn deutlich reduziert werden. Wir erreichen eine nahezu vollständige Beseitigung von Unregelmäßigkeiten“, betont Steffen Kopp. Das führt jetzt auch zur gewünschten Geräuschminderung.

Also wurde insgesamt

  • die Formgenauigkeit der Spindeln deutlich besser,
  • die Oberflächenrauigkeit stark minimiert,
  • die Laufruhe verbessert,
  • die Geräuschentwicklung niedriger,
  • das Einlaufverhalten der Spindeln verbessert.

Bei Steinmeyer hat man dies zum Anlass genommen, zwei neue Baureihen von Kugelgewindetrieben aufzulegen: „Optislite“ für kleine Spindeln von 3 bis 16 mm und „Xi-Plus“ für Spindeln von 16 bis 80 mm. Allen am Projekt Beteiligten ist somit ein deutlicher Schritt in die Zukunft gelungen.

* Bernhard Kreutzer arbeitet als Vertriebsingenieur bei der Siemens AG in 45128 Essen, www.siemens.com

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