Der Diamant unter den Werkzeugmaschinen

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Hartzerspanung reduziert Verfahrensaufwand

Beginnen wir mit der Hartzerspanung. Othmar Mannhart, Verkaufsingenieur Reimmann AG, sagte gegenüber dem SMM, «Hartbearbeitung können viele Werkzeugmaschinen, aber die meisten 'kratzen' lediglich am Werkstück, wogegen die neu vorgestellte Yasda YBM Vi40 mit 415 ccm pro Minute bei 60 HRC richtig Volumen machen kann, was aus meiner Sicht eine bemerkenswerte Leistung ist.»

Martin Bögli, Produktlinienleiter Reimmann AG, wies in diesem Zusammenhang darauf hin, dass viele Anwender von der Hartzerspanung erst noch überzeugt werden müssen. Viele gehen den klassischen Weg von der Weichzerspanung über das Härten bis hin zu einem anschliessenden Erodierprozess. «Der Prozess bei einer solchen Fertigung ist aber erheblich aufwendiger, als das Werkstück direkt auf einer Maschine fertig hart zu bearbeiten. Mit der Yasda YBM Vi40 ist das bis HRC 65 problemlos möglich - alles auf einer Maschine.»

Hohe Masse bei guter Dynamik

«Grundvoraussetzung für eine solche Zerspanungsleistung in harte Materialien», so Andreas Strehler, Verkaufsingenieur Reimmann AG, gegenüber dem SMM, «ist eine hohe Masse der Maschine, was für eine hohe Grundstabilität unabdingbar ist. Allerdings muss bei modernen Maschinen auch eine hohe Dynamik vorhanden sein, damit sie auf Akzeptanz stösst. Denn gerade bei den Schlichtprozessen ist eine hohe Dynamik gefordert, damit die hohe Oberflächengüte effizient und fein abgezeilt werden kann.»

Bei der hohen Masse von 15 Tonnen scheint das eine Quadratur des Kreises zu sein. Aber: das Verhältnis der bewegten Massen wird durch einen integrierten Dreh-Schwenktisch im Gleichgewicht gehalten. Die schweren Maschinenkomponenten rücken so relativ nah an den Maschinenschwerpunkt, was vorteilhaft für die Dynamik ist.

Geringe Vibrationen verlängern Werkzeugstandzeiten

Die hohe Grundstabilität sorgt dafür, dass die Vibrationen bei der Bearbeitung erheblich reduziert werden. Die Folge ist, dass die Werkzeugstandzeiten hoch gehalten werden können. Das ist insbesondere bei der Hartbearbeitung ein ganz wesentlicher Aspekt, denn Hartmetallwerkzeuge sind alles andere als billig.

Der Werkzeugverschleiss kann bei der Hartbearbeitung durch auftretende Vibrationen in die Höhe schnellen. Infolge der Vibrationen entstehen kleinste Haarrisse im Werkzeug, die ein frühzeitiges Versagen der Werkzeuge zur Folge haben. O. Mannhart ergänzt in diesem Zusammenhang, «dass es Untersuchungen gibt, die zeigen, dass die Wärmeleitung im Werkzeug durch die Haarrisse unterbunden wird und sich somit Wärmestaus im Werkzeug ergeben, was zusätzlich zu einem schnellen Verschleiss des Werkzeuges beiträgt. In diesem Fall muss auch immer eine optimale Spannung der Werkzeuge gewährleistet werden. Insofern ist ein HSK respektive ein Big-Plus mit Plananlage ein nicht zu unterschätzender Aspekt.»

Hart und präzise

Aufgrund ihrer aussergewöhnlichen Stabilität ist die Maschine nicht nur für Hartbearbeitung prädestiniert, sie ist noch dazu hochpräzise: Die Positioniergenauigkeit in den XYZ-Achsen liegt bei unter 1 µm. Bei der am Werkstück gemessenen 5-Achs-Simultanbearbeitungen eines Konus (gemäss NAS 979) erzeugt die Maschine eine Rundheit von 2,32 µm.

Simon Wernli (Verkaufsrepräsentant Reimmann AG, Westschweiz) betont in diesem Zusammenhang: «Wenn die Maschine diese Präzisionen erreicht, dann handelt es sich um die genauste Werkzeugmaschine, die ich kenne, die derzeit am Markt ist.» In der Tat bringt die Yasda hier Genauigkeiten am Werkstück, wo viele Maschinenhersteller zwar sagen, dass sie das können - aber Yasda «sagt» das nicht nur, sie machen das auch.

Prädestiniert für die Uhrenindustrie

«In der Schweizer Uhrenindustrie wird», so Simon Wernli, «das Interesse an dieser Maschine sehr hoch sein, denn solche Präzisionen brauchen wir in der Uhrenfertigung.» Allerdings kommen solche Werte nicht von allein. Um dies zu erreichen, wird ein erheblicher Aufwand beim Maschinenkonzept betrieben. Grundvoraussetzung ist ein thermosymmetrischer Aufbau der Gusskonstruktion des Ständers und des Querbalkens, was einen niedrigen Wärmegang bringt.

Durchgehärtete Flachführungen und vollständige Kühlung

Da die Maschine auch bei 5-Achsen-Bearbeitung höchste Präzision am Werkstück bringen soll, müssen die beiden Mittelpunkte der Drehachsen absolut präzise eingehalten werden.

Takuto Yasuda, Präsident von Yasda, sagt gegenüber dem SMM: «Wegen der hohen Kräfte wird die B-Achse über ein Schneckengetriebe angesteuert, um eine hohe Stabilität zu gewährleisten. Die Linearachsen müssen in diesem Zusammenhang ein Minimum an Wärmegang über eine längere Bearbeitungszeit ausweisen. Ausserdem wird die Maschine zusätzlich an allen neuralgischen Punkten, wie X-Achs-Schlitten, Querbalken, B- und C-Achse, Y-Achse Spindelstock, standardmässig aktiv durch einen geschlossenen Kühlkreislauf gekühlt und mittels Sensoren an die Referenz-Raumtemperatur angepasst. Schliesslich kann, auf Wunsch unserer Kunden, der Hauptständer optional gekühlt werden. Wir setzen zudem auf durchgehärtete und geläppte Stahl-Flachführungen. Darauf möchte ich dezidiert hinweisen, da sie Schlüsselkomponenten sind, um die hohen Zerspanleistungen und exzellenten Oberflächengüten zu ermöglichen.»

Die Spindel - durchdacht bis ins letzte Detail

Die Maschine wird mit zwei Spindelvarianten geliefert (Standard: 18,5 kW, 100?24000 1/min sowie optional: 11 kW, 30000 1/min, Angaben bei 100% ED), die sich durch eine ausgeklügelte Konstruktion auszeichnen. Bei einer herkömmlichen Spindel mit fester Lagervorspannung ist eine eher geringe Vorspannkraft der Anfangsvorspannung nicht zu vermeiden.

Der Nachteil bei dieser Methode liegt darin, dass der Rundlauf aufgrund der durch die Lagerdrehzahl entstehenden Wärme schwankt. Das von Yasda entwickelte «Spindelsystem mit selbstregulierender Lagervorspannung» ist hingegen in der Lage, eine relativ hohe Grundvorspannung bereits im kalten Zustand aufzubringen. Bei hohen Drehzahlen reduziert sich die Vorspannung wärmeabhängig.

HSC-Fräsen in höchster Präzision

Dieser genau abgestimmte Mechanismus ermöglicht sowohl die Hochleistungszerspanung im niedrigen Drehzahlbereich als auch einen hochpräzisen Rundlauf bei Höchtsdrehzahl und bei jeder Lagertemperatur. Somit wird das Hochgeschwindigkeitsfräsen von gehärteten Stählen, mit Gegenkraft erzeugenden Spiralfräsern, auch in hoher Präzision möglich.

Für eine steife Übertragung der Zerspan-Kräfte zwischen Spindel und Werkzeug sorgt eine HSK 63A (optional) oder Big-Plus-Steilkegelaufnahme (Standard). Die Big-Plus-Steilkegelaufnahme zeichnet sich gegenüber klassischen SK-Aufnahmen durch eine zusätzliche Plananlage aus. Möglich wird dies durch eine sehr präzise Fertigung der Werkzeug-Spindel-Schnittstelle. Generell ist aber auch jeder handelsübliche BT40- respektive SK40- Steilkegel einsetzbar, der sich dann aber nicht über seine Schultern zusätzlich abstützt.

Entkopplung von Motor und Spindel

Ein wichtiger Aspekt, um thermische Einflüsse auf die Spindel gering zu halten, ist die Entkopplung der Spindel vom Antriebsmotor. Der Spindelmotor ist oberhalb der Spindel angeordnet, beide sind koaxial über eine Membrankupplung miteinander verbunden.

Dies bewirkt einen vibrationsarmen und thermisch stabilen Spindellauf über den gesamten Drehzahlbereich. Feinst gewuchtete, extrem leise Spindelmotoren mit «elektronischem Getriebe» bieten in jedem Bereich der Bearbeitung ein hohes Drehmoment. Die SA-40-Spindel mit 24000 1/min bringt ein maximales Drehmoment von 118 Nm bei 25% ED, bei 100 bis 1500 1/min. In höheren Drehzahlbereichen fällt das Drehmoment natürlich ab.

Die Steuerung - japanische Perfektion

Zugegeben, im Schweizer Werkzeug- und Formenbau steht in Sachen Steuerung ein deutscher Hersteller auf der Wunschliste. Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass die Yasda mit einer japanischen Fanuc Series 31i A5 ausgerüstet wird. Bei Fanuc hat sich in den letzten Jahren einiges im 5-Achs-Simultanbereich getan. Und es ist praktisch japanische Tradition, dass man, wenn man erkennt, dass ein Mitbewerber etwas besser macht, so lange forscht und arbeitet, bis sich das Verhältnis umkehrt.

Fanuc stellt generell eine Vielzahl von Softwarefunktionen für die simultane Fünf-Achsen-Bearbeitung zur Verfügung, um das vorhandene Potential von Steuerung und Maschine optimal auszunutzen. Kompensationsmöglichkeiten von Werkzeuglänge, -richtung und -radius gehören zu den Standardoptionen.

Feinere Oberflächen und kürzere Zykluszeiten

Eine dieser neuen Technologien ist die Funktion Smooth TCP, um bessere Oberflächenqualitäten und kürzere Zykluszeiten zu erreichen. Sie knüpft an die Funktion «Tool Center Point» an und kann so Abweichungen in der Werkzeuganstellung kompensieren. Ausserdem ignoriert Smooth TCP redundante Befehle bezüglich der Werkzeugmittelpunktposition.

Ursache und Ansatzpunkt für Smooth TCP sind die von CAD/CAM-Systemen generierten fünfachsigen Maschinenprogramme, in denen die jeweiligen Fräsbahnen und Richtungsvektoren für das Werkzeug festgelegt sind.

Auch bei festgelegter hundertprozentiger Normalen-Treue enthalten die Programme Unstetigkeiten in der Ausrichtung der Werkzeuge. Selbst wenn diese Abweichungen nur wenige Zehntelgrad betragen, führen sie zu Ausgleichsbewegungen in den Rotationsachsen, die sich im Endeffekt in einer verlangsamten Bewegung oder sogar im Stopp der Bahnbewegung niederschlagen.

Die Folge sind sichtbare Spuren auf der Werkstückoberfläche und ein Zeitverlust, der in verschiedenen Versuchen durchschnittlich bei etwa zehn Prozent lag. In Extremfällen konnte mit Smooth TCP sogar eine Zeitersparnis von 44 Prozent erzielt werden. Ein positiver Nebeneffekt ist ausserdem, dass die Maschinen- bzw. Werkzeugabnutzung durch die Vermeidung von Ruckbewegungen minimiert wird.

AutorMatthias Böhm, Chefredaktor SMM

InformationYasda Precision Tools K.K.

Vertretungsbüro: Fritz-Vomfelde-Strasse 34 D-40547 Düsseldorfwww.yasda.co.jp

EMO 2009: Halle 5, Stand C20

Vertretung in der SchweizReimmann Hch. AGWerkzeugmaschinen Mettlenbachstrasse 278617 MönchaltorfTel. 044 949 49 49Fax 044 948 02 22info@reimmann.ch www.reimmann.ch

Ital. Yasda-VertretungCeladaCentro Dimostrazione e FormazioneVia Degli Orsi e Dei Boschi, 7 I-20093 Cologno Monzese Milano Italy

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