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Schwerzerspanung Schwerzerspanung muss nicht immer schwer sein

Autor / Redakteur: Tilo Michal / Mag. Victoria Sonnenberg

XXL-Bauteile, kleine Losgrößen, komplexe Geometrien, schwer spanbare Materialien: ein Alptraum für Fertigungsleiter und Controller. Die Schwerzerspanung erfordert daher unterschiedliche Ansätze. Hier finden Sie Beispiele und Lösungswege.

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Schwergewichtsmeister: Schäldrehen mit einer SMS bei der BGH Edelstahl Siegen.
Schwergewichtsmeister: Schäldrehen mit einer SMS bei der BGH Edelstahl Siegen.
(Bild: Ceratizit)

Die Aufgabe, 18 m lange Rohre für die Förderindustrie aus hoch legiertem Stahl mit 600 mm Durchmesser wirtschaftlich zu bearbeiten, ist selbst für Profis kein Standard – eine typische Schwerbearbeitungsaufgabe. Konventionelle Maschinen- und Fertigungskonzepte stoßen hier an ihre Grenzen. „Schwere Zerspanung, um es einmal so zu nennen, erfordert unterschiedliche Ansätze, um erfolgversprechend ans Ziel zu kommen“, erläutert Tino Freigang, Geschäftsführer der Emag Leipzig Maschinenfabrik GmbH. Seine Firma sieht sich auf diesem Feld mittlerweile mehr als Lösungsanbieter denn als klassisches Maschinenbauunternehmen.

„Wir haben dafür ein gespreiztes, multifunktionales Maschinenkonzept entwickelt. Damit reagieren wir auf die Erfordernisse im Markt, mit möglichst wenig Aufspannungen zurechtzukommen und kleine Losgrößen just in time produzieren zu können, und vereinen das Drehen, Fräsen und Verzahnen in einer Maschine, was höchste Anforderungen an Statik und Dynamik darstellt. Klar scheinen die Maschinen für den ein oder anderen Bearbeitungsschritt isoliert betrachtet als überdimensioniert.“ Emag setzt das Multikonzept in unterschiedlichen Baureihen um, zum Beispiel bei den vertikalen Pick-up-Maschinen aus der VLC-Reihe mit hängender Spindel. Der Vorteil liegt dort darin, dass die großen Späne frei fallen können. Die Abfuhr von Spänen, egal welcher Größe und Geometrie, stellt somit kein (Sicherheits-)Problem mehr dar. Bei der VMC-450-5-MT-Reihe ist das Prinzip der Vertikaldrehmaschine im wahrsten Sinne „auf den Kopf gestellt“, die Dreh-Frässpindel liegt unten. Hier ist das Ziel, eine Komplettbearbeitung inklusive Wälzschälen oder Wälzfräsen innerhalb der Schwerzerspanung zu ermöglichen.

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Auf unterschiedlichste Werkstoffe optimal reagieren

„Die konstruktive Herausforderung im Bereich der Werkzeugmaschinen für die Schwerzerspanung liegt darin, hohe Leistung bei niedrigen Drehzahlen und ausreichend Drehmoment bei hohen Drehzahlen fahren zu können, um auf ganz unterschiedliche Werkstoffe, wie beispielsweise Titan und Guss, gleichermaßen optimal reagieren zu können“, berichtet Georg Händel, Technical Sales Manager für Heavy Parts bei Emag.

Um auf die Anforderung Industrie 4.0 zu reagieren, bietet der Maschinenhersteller einen digitalen Werkzeugmaschinen-Zwilling, der Schnittkräfte, Freiwinkel, kurzum den gesamten Zerspanungsprozess, vorab simulieren kann. Werkzeugseitig sind moderne Schwerzerspanungsmaschinen mittlerweile mit innen liegenden, extern gesteuerten Werkzeugrevolvern ausgestattet, die dafür sorgen, dass verschiedene High-End-Werkzeugtypen unmittelbar zum Einsatz kommen können, ohne neu spannen zu müssen. Die rasante Weiterentwicklung der Maschinen hat natürlich auch die Werkzeughersteller nicht unberührt gelassen: „Die Prozesse haben sich in den letzten Jahren grundlegend verändert und sind variabler, die Produktionsmaschinen härter geworden, sie haben weniger Dämpfung, lassen dynamischere, schnellere Bewegungen zu und die Spindeln sind auf höhere Prozesskräfte ausgelegt“, berichtet Markus Kannwischer, Mitglied der Geschäftsleitung beim Werkzeughersteller Paul Horn.

„Durch die Rechenleistung heutiger Bearbeitungsmaschinen in Verbindung mit der entsprechenden CAD/CAM-Software sind neue Bewegungsmuster der Fräser möglich.“ Das trochoidale Fräsen, das Zirkular- oder Helixfräsen sind hierfür Beispiele. Markus Kannwischer: „Wir als Werkzeughersteller sind gefordert, synchron mit der Maschinentechnologie zu gehen und Werkzeuge zu entwickeln, die das Potenzial der neuesten Maschinengeneration voll ausnutzen. Optimierte Werkzeuge sind dann wieder Antreiber für Performancesteigerungen, so gesehen ein Pingpongrffekt.“

Höhere Steifigkeit des Gesamtsystems

Ein Beispiel für diese adaptierten Werkzeuge ist das System S100 von Horn, das für das Abstechen auf Dreh- und Fräszentren mit der Vorschubbewegung auf der Y-Achse konzipiert wurde. Dort entstehen große Hebelkräfte. Die Platzverhältnisse in der Maschine erlauben dort häufig nicht den Einsatz von Werkzeugen mit großem Querschnitt. Bei der nun neuen Anordnung der Schneide im Werkzeugträger werden die Schnittkräfte in den Hauptquerschnitt des Stechhalters eingeleitet. Dadurch ergibt sich bei gleichen Querschnitten der Stechhalter eine höhere Steifigkeit des Gesamtsystems. Der Kraftfluss in Längsrichtung des Werkzeugs erlaubt schmälere Halter bei gleicher Steifigkeit des Systems. Bei modernen Generationen der Dreh- und Fräszentren führt das Abstechen mit den neuen Stechwerkzeugen zu einer Einleitung der Schnittkraft in Spindelrichtung und damit zu einer höheren Steifigkeit des Gesamtsystems.

Durch Verfahrenswechsel 16-mal schneller

Die BGH Siegen bearbeitet Sonderlegierungen mit einem Fertigungsdurchmesser von bis zu 600 mm. Mittlerweile wird dort das Schälen als bevorzugtes Verfahren angewandt, um an geschmiedeten, zylindrischen Stäben die Oxyd- und Walzhaut zu entfernen, früher wurde dort „klassisch“ gedreht. Durch den Verfahrenswechsel und den Einsatz einer Schälmaschine der SMS Group wurde ein Performancesprung möglich. „Einer der Hauptvorteile des Schälens ist der gleichzeitige Einsatz von mehreren Werkzeugen, was wiederum höhere Vorschübe als beim Drehen ermöglicht. Wir benötigten beim Drehen rund acht Stunden, mit dem Schälen sind wir nach 30 Minuten fertig“, berichtet Jost Kretzer, Betriebsleiter von BGH. Ceratizit entwickelte hierzu entsprechende Schälwendeplatten-Typen, auch hier spielt das Engineering eine große Rolle.

„Wir sind enorm dankbar, dass wir die Möglichkeit bekommen haben, unsere Schälplatten anhand dieser Maschine zu testen. Nur so gelingt es, unsere Werkzeuge stetig weiterzuentwickeln und zu verbessern“, erklärt Andreas Schätzl, Head of Engineering bei Ceratizit. „Schwerzerspanung ist ein komplexes System, in das die Parameter Werkstoff, Werkzeug, Verfahren und Maschine einfließen, wobei das Engineering eine entscheidende Rolle spielt. Da es hier mitunter sogar die Losgröße eins gibt, sind hier selten Standard­lösungen möglich, sondern es braucht eine individuelle Prozess­planung auf Basis vorhandener Ressourcen“, stellt Tino Freigang fest.

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Gut zu wissen
Stichwort Schwerzerspanung

Es gibt kein allgemeingültiges Regelwerk, das den Begriff „Schwerzerspanung“ umfassend und mit hoher Trennschärfe definiert. Von Schwerzerspanung spricht man oft, wenn es um hohe Vorschübe und hohe Produktivität geht, was häufig mit HPC (High-Perfor-
mance Cutting) gleichgesetzt wird. Mit dem Prozess der Schwerzerspanung sind häufig hohe Werkzeugbelastungen verbunden, etwa auch, weil es um die Bearbeitung gehärteter Stähle, Nickelbasis- und Titanlegierungen sowie weiterer schwer spanbarer Werkstoffe geht. Ein besonderes Feld ist die CFK- und GFK-Bearbeitung. Hier ist im Eingriff vor allem „höchste“ Schneidkantenqualität gefragt. Dort gibt es unterschiedliche Lösungsansätze, Schneidkantenpräparationen und -radien. Hier kommen überwiegend PKD-, CVD- oder auch andere Substratwerkzeuge sowie neuere Verfahren wie das Zirkular- und Wirbelfräsen zum Einsatz.

Von Schwerzerspanung spricht man aber auch, wenn es sich um die Bearbeitung großer Bauteile und Geometrien handelt, wie bei Industriegetrieben, Wellen und Antrieben von Nutzfahrzeugen, Baumaschinen oder um Teile im Schiff- und Eisenbahnbau, im Agrar- und Bergbau. Die Bearbeitungsmaschinen müssen somit auf viel höhere Prozesskräfte ausgelegt sein als das bei der Zerspanung im konventionellen Bereich der Fall ist. Maschinenseitig ist für die Schwerzerspanung eine hochstabile und gleichzeitig dynamisch optimierte Konstruktion notwendig. Dabei ist das Thema „Spannen“ entscheidend. Auf der einen Seite soll wenig Bauraum verbraucht werden – die Werkstückaufnahme aber hochfest sein, denn schwingende Materialien bedeuten hohen Werkzeugverschleiß und Prozessungenauigkeiten.

* Tilo Michal ist Texter, Redakteur, Pressesprecher sowie Workshop-Trainer und Inhaber der Agentur strichpunkt e. K., Tel. (01 71) 7 84 49 60, pressesprecher67@web.de

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