Marktanalyse für den Einsatz von 5 Funktionalachsen an handbedienbaren CNC-gesteuerten Drehmaschinen

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1 Marktanalyse für den Einsatz von 5 Funktionalachsen an handbedienbaren CNC-gesteuerten Drehmaschinen Dipl.-Ing. Christiane Rehm 1 Einleitung Die Ansprüche an die Genauigkeit von Werkstücken werden immer höher. Der Einfluß von Design und "Modetrends" ist auch im Bereich der Drehbearbeitung unübersehbar. Untersuchungen zum Einsatz von mehr als 2 Achsen bei der Drehbearbeitung wurden durch das BMBF im Rahmen eines Personalaustausches zwischen der TU Dresden und der Firma AXOMAT GmbH Berggießhübel gefördert. 2 Ermittlung des Standes der Technik Eines der Probleme im Bereich der Hochpräzisionsbearbeitung sind unerwünschte Sichtkanten. Aufgrund der Drehmeißelgeometrie können einige Werkstückgeoemtrien nicht in einem NC-Satz bzw. als kontinuierliche Bearbeitung gefertigt werden, z. B. Kugelgriff. Um eine Kollision des Werkzeughalters mit der Sollgeometrie zu vermeiden, müssen mehrere Werkzeuge eingesetzt werden. Eine zusätzliche rotatorische Achse kann die Anzahl der notwendigen Werkzeugwechsel verringern (Bild 1). X Werkzeughalter B Bild 1: Lage der zusätzlichen rotatorischen Achse (B-Achse) Sichtkanten, welche beim Werkzeugwechsel an den Übergangsstellen entstehen, können mit dieser Achse vermieden werden (siehe Bild 2).

2 X fertigungstechnisch bedingte Sichtkante Werkzeugwechsel bedingt durch Geometrie des Werkzeuges X Werkzeugwechsel einsparen durch Anstellung des Werkzeuges entsprechend der Flächennormale Bild 2: Der Einfluß der Werkzeuganstellung auf den Werkzeugwechsel Durch eine Literaturauswertung konnte festgestellt werden, daß eine Verbesserung der Technologie Drehen im Konsens mit den gegenwärtigen Marktanforderungen steht. Um die Grundvoraussetzung der Wirtschaftlichkeit zu erfüllen, müssen die Produkteigenschaften erhöht und die Aufwendungen für den Anwender verringert werden. Im Vordergrund steht dabei die Erhöhung der Präzision, denn in zunehmendem Maße werden mechanische Funktionsflächen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich gefordert. Derzeit werden Präzisionsteile durch Fertigungsverfahren mit geometrisch unbestimmter Schneide erzeugt, d. h. durch Schleifen, Feinschleifen, Honen, Läppen oder Polieren. Diese Verfahren reichen in der Einzel- und Kleinserienfertigung nicht mehr aus, um heutige Forderungen nach Flexibilität und Wirtschaftlichkeit zu erfüllen, insbesondere nicht bei Bauteilen mit komplizierter Oberflächenkontur. Durch die Entwicklung von Maschinen, die entweder das Schleifen rationeller gestalten oder in der Konstruktion von Drehmaschinen und Drehwerkzeugen, welche eine Substitution des Schleifvorganges durch Drehen ermöglichen, kann Abhilfe geschaffen werden. Dabei sind die Vorteile des erspanens mit geometrisch bestimmter Schneide, vor allem bei kleineren Losgrößen, sehr deutlich. Aufwendige Konturzüge, die beim Schleifen schon vom Abrichten

3 her problematisch sind, können durch Drehen in kurzer eit und mit hoher Flexibilität bearbeitet werden. Das Programmieren einer CNC-gesteuerten Drehmaschine gestaltet sich einfacher und erfordert erheblich weniger technologisches Wissen als das Programmieren einer Fertigungseinrichtung zum Schleifen. Das Drehen ist gegenüber dem Schleifen immer noch bis zu dreimal schneller. Auch die Anschaffungskosten bei Neuinvestitionen zeigen, daß handelsübliche CNC-Drehmaschinen nur ungefähr ein Drittel der Investitionsausgabe einer Schleifmaschine ausmachen. Einbußen bei der Maß- und Formgenauigkeit sind kaum zu beobachten, es sind eher Verbesserungen der Rundlaufgenauigkeit und des Tragbildes festzustellen. Eine Recherche ergab, daß als Vergleichsobjekt für das zu entwickelnde Produkt nur die Maschine der Fa. Güdel in Betracht kommt, da nur diese bereits eine zusätzliche Drehachse für die Werkzeuge anbietet. Güdel 2000 (vgl. im folgenden Firma GÜDEL): Typische Produktionsmaschine für Massenfertigung, sie besitzt zwei Spindeln, ein automatisches Werkzeugwechselsystem und kann in sehr hohen Drehzahlen arbeiten (bis 8000 U/min). Eine Bearbeitung manueller Art mittels Handrädern ist nicht möglich. Die Güdel 2000 ist durch ihre 5 Drehachsen gekennzeichnet. Jedes Werkzeug kann in beliebigem Winkel an der rechten und der linken Spindel eingesetzt werden. Diese Bearbeitungsmöglichkeit ist durch eine kontinuierlich veränderbare Werkzeugachse (B-Achse) in Form eines schwenkbaren Werkzeugträgerkopfes möglich. Außerdem erlaubt das mitlaufende Werkzeugmagazin den Werkzeugwechsel von bzw. zur B-Achse während der Bearbeitung mit festen oder drehenden Werkzeugen. Die drehenden Werkzeuge ermöglichen darüber hinaus ein 4-achsiges Fräsen von sehr komplexen Formen. Weitere Kennzeichen sind eine sehr hohe Genauigkeit (Spindelrundlauf < 1,0 µm) und das hochgenaue Umspannen des Werkstückes (bis 5,0 µm). Der Preis liegt bei ca. einer halben Million DM. Durch die Technologie eines kontinuierlich veränderlichen Werkzeugträgerkopfes stellt diese Maschine ein Äquivalent zur Drehmaschine dar, welche zukünftig bei der Firma AXOMAT entwickelt werden soll. 3 Angaben zur Patentsituation Das iel dieser Patentrecherche bestand in der Untersuchung des derzeitigen Stands der Technik bei Präzisionsdrehmaschinen. Konkret wurde also nach bereits patentierten Lösungen gesucht, um besonders Drehteile mit schon anfangs beschriebenen komplizierten Oberflächen zum einem herstellen zu können, zum anderen dabei aber auch ein hohes Niveau an Genauigkeit zu realisieren. Für diesen Untersuchungszweck wurden hauptsächlich sämtliche deutsche

4 Patentanmeldungen und Geschmacksmuster ab 1990 der Hauptklasse B 23 näher analysiert, welche für die o. g. Problematik von Bedeutung sein könnten. Es wurden keine Anmeldungen gefunden, deren Anspruch die dynamisch ansteuerbare B-Achse beinhaltet. Ermittelt wurden folgende Druckschriften: Einrichtung und Steuerung zum Drehen von Kugeln und Radien (DE ) Vorrichtung und Steuerung zum Erzeugen von Unrund- und Balliggeometrien an Drehteilen (Patentschrift DE ) Der Inhalt dieser Anmeldungen betrifft mechanische Vorrichtungen für die Erzeugung der geometrischen Konturen 4 Marktanalyse Im Rahmen einer Befragung von Unternehmen, welche sich mit der Bearbeitung von Drehteilen in den Neuen Bundesländern und Baden-Württemberg beschäftigen, ist der Anteil derer, die überwiegend mit CNC-Maschinen produzieren, recht hoch (49%). Mit dem Drehen von sphärischen Flächen beschäftigen sich ungefähr zwei Drittel aller befragten Unternehmen. Dabei haben rund ein Sechstel Schwierigkeiten bei der Fertigung in der Art, daß die Sollgeometrie nicht erreicht wird und sich Schleppfehler bei der Genauigkeit der Erzeugnisse negativ auswirken. Eine Lösungsmöglichkeit für die präzise Herstellung von Drehteilen mit sphärischen Oberflächen besteht im Einsatz einer dynamisch veränderlichen Werkzeugachse an CNCgesteuerten Drehmaschinen. Der Bedarf für diese Technologie ist vorhanden, denn von den Bearbeitern sphärischer Drehteiloberflächen versprechen sich ungefähr die Hälfte einen Vorteil beim Einsatz dieser Technologie. ur Bearbeitung bestimmter Werkstückkonturen ist der C-Achsbetrieb in Verbindung mit angetriebenen Werkzeugen notwendig. Mehr als die Hälfte aller Hersteller benutzt bereits häufig angetriebene Werkzeuge. 5 Ergebnisse der Untersuchungen Durch die Nutzung einer CNC-Drehmaschine, welche mit einer steuerbaren C-Achse und einer Werkzeugfunktionalachse (vierte Achse) ausgestattet ist, wird die Fertigung von sphärischen Werkstückgeometrien in einem einzigen Arbeitsgang möglich und führt zu folgenden positiven Effekten: Bearbeitung von rotationssymmetrischen Körpern durch Drehen: Eliminierung von Sichtkanten durch einmaliges Einspannen, Möglichkeit der Bearbeitung von Formelementen, für welche bisher Spezialmaschinen benötigt werden,

5 Wegfall der Nachbearbeitung durch Schleifen, speziell angeschliffene Werkzeuge sind durch Standardwerkzeuge ersetzbar, Verkürzung der Stückzeit durch Wegfall der Werkzeugwechselzeiten, beim Einsatz von Formdrehmeißeln kann eine höhere Formgenauigkeit durch Anstellen der Werkzeugachse senkrecht auf die Werkstückoberfläche erreicht werden bei der Vorbearbeitung (z. B. Längsschruppen) kann durch eine Veränderung des B-Winkels nach jedem Schnitt eine Erhöhung der Standzeit des Werkzeuges erzielt werden, weil der Eingriffspunkt geändert wird, diese Änderung kann auch manuell durch schräges Einspannen des Werkzeuges erfolgen, ist dann aber zeitaufwendig und immer nur im Bereich der manuellen Fertigkeit des Maschinenbedieners möglich. Nutzung der zusätzlichen Achse beim Arbeiten mit angetriebenen Werkzeugen: Möglichkeit der Anstellung des Werkzeuges auf ebenen, aber schräg zu den Maschinenachsen liegenden Flächen Einbringen von Bohrungen, welche nicht senkrecht zur Maschinenachse liegen kontinuierliche Veränderung der B- und C- Achse bei komplizierten Geometrien zur Verbesserung der Oberflächenqualität durch bessere Anpassung der Werkzeuggeometrie an die Werkstückgeometrie Verringerung der Anzahl der Fräsbahnen durch Einsatz von zylindrischen Schaftfräsern Angemerkt werden soll an dieser Stelle, daß für neuwertige Schneidwerkzeuge auch ohne Rundtische ähnlich gute Radienformgenauigkeiten realisiert wurden. Aber nach einigen Kilometern Standweg, bei nicht mehr zu vernachlässigender Abnutzung der Schneidkante, ist mit der Technologie der kontinuierlich veränderlichen Werkzeugachse (orthogonales Drehen) ein deutlich genaueres Ergebnis zu erreichen. Insbesondere beim Glanzdrehen von sphärischen Flächen mit Diamantwerkzeugen ist das orthogonale Drehen zwingend erforderlich. Als Ergebnis der Analyse potentieller Kunden läßt sich ableiten, daß die Chancen zur Vermarktung der geplanten, orthogonal drehenden Maschine der Firma AXOMAT als sehr gut einzuschätzen sind. Die Anforderungen der Kunden, welche sich mit der Herstellung von Drehteilen mit komplizierten Oberflächen bei hohen Ansprüchen an die Formgenauigkeit in kleiner Serie beschäftigen, werden durch dieses Maschinenkonzept erfüllt.