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Zeit- und Kosteneinsparung Hartdrehen: der Kampf ums Mikrometer

Redakteur: Anne Richter

>> Mit Hartdrehen können Genauigkeiten erreicht werden, so dass andere, aufwendigere Verfahren ersetzt werden können und damit Produktivität und Effizient gesteigert werden. Gerade in den Bereichen Schleifen und Drehen gibt es eine grosse Überschneidung in Bezug auf Genauigkeit. Dr. Mike Kushnir von Hardinge, Hersteller von Präzisions-Drehmaschinen, zeigt die Alternativen zum Schleifen.

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Dr. Mike Kushnir ist wissenschaftlicher Berater im Konstruktions- und Fertigungsteam von Hardinge Inc., Elmira USA.
Dr. Mike Kushnir ist wissenschaftlicher Berater im Konstruktions- und Fertigungsteam von Hardinge Inc., Elmira USA.
(Bild: Hardinge)

Hardinge ist ein global operierender Hersteller von CNC-gesteuerten Präzisions-Drehmaschinen, Schleifmaschinen (Kellenberger Group), Bearbeitungszentren (Bridgeport) und Zubehör. Auf dem im September 2013 in Krefeld abgehaltenen Pressetag wurden einmal mehr die hervorragenden Kenntnisse und das Know-how von Hardinge im Bereich der Präzisionsdrehmaschinen betont. In seinem sehr anschaulichen Fachvortrag erklärt Dr. Mike Kushnir, wissenschaftlicher Berater im Konstruktions- und Fertigungsteam von Hardinge Inc., Elmira USA, warum Hartdrehen eine echte Alternative zum Schleifen darstellt und welchen pekuniären Vorteil das für den Kunden bringt.

Überschneidungen in Bezug auf Genauigkeit

Bei der Betrachtung der Anwendungsbereiche von Werkzeugmaschinen ist gerade in den Bereichen Drehen und Schleifen eine grosse Überschneidung in Bezug auf die Genauigkeit zu erkennen: Während beim Diamantdrehen Genauigkeiten von 0 µ bis unter 2 µ erreicht werden, liegt der Genauigkeitsbereich beim Schleifen zwischen 0,25 µ und 5 µ. Beim Standarddrehen werden nur noch Genauigkeiten bis höchsten 5 µ erzielt. Hardinge-Hochgenauigkeits-Drehmaschinen decken einen Genauigkeitsbereich von 0,3 µ bis 6 µ ab, sie liegen also im Bereich des Schleifens.

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Hartdrehen als Ersatz für das Schleifen – Voraussetzungen

Entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit haben Steifigkeit, Stabilität, Schwingungsdämpfung und dynamische sowie thermische Stabilität der Maschine. Betrachtet man das Hart- und Hochpräzisionsdrehen als Ersatz des Schleifprozesses, so sind maschinenseitig die für das Schleifen üblichen Toleranzen, Genauigkeiten und erreichbaren Oberflächengüten zu erfüllen. Achsfehler-Kompensation zum genauen Positionieren der Achsen und digitale Glasmassstäbe in Kombination mit analogen Messsystemen bilden dabei die Grundlage.

Zentral liegende überdimensionierte Kugelrollspindeln sowie kompakt aufgebaute mehrreihige Linearmodule ermöglichen es, die beim Hart- und Hochpräzisionsdrehen auftretenden Kräfte aufzufangen. Eine direkte Aufnahme der Spannzange in der Spindel und des Werkstückes in der Nähe der Lager bieten grösstmögliche Steifigkeit und bestmögliche Rundläufe.

Ein 45°-Vollgussmaschinenbett, verfüllt mit Harcrete-Polymerbeton, bietet höchste Schwingungsdämpfung und ist als wesentliche Voraussetzung für erfolgreiches Hart- und Hochpräzisionsdrehen zu sehen. Durch die schwingungsdämpfende Wirkung werden bessere Oberflächengüten, Standzeiten und Prozessabläufe gewährt.

Vorteile des Hartdrehens: Zeit- und Kosteneinsparung

Die wesentlichen Vorteile des Hochpräzisions-/Hartdrehens liegen in den kürzeren Zyklus-, Rüst- und Einrichtzeiten, den verhältnismässig niedrigeren Investitionskosten und der Möglichkeit der Fertigung von Profilen mittels Standardwerkzeugen. Hart- und Hochpräzisionsdrehen liefert meistens vergleichbare oder sogar bessere Ergebnisse wie Rundschleifen (siehe Beispielrechnung im Kasten).

Geringere Investitionskosten, mehr Möglichkeiten

Betrachtet man die Investitionsseite, so liegen bei gleichen Anforderungen an die Genauigkeit die Investitionskosten für eine Hardinge T 42 SP mit Haupt- und Gegenspindel, Y-Achse, angetriebenen Werkzeugen und C-Achse bei rund 300 000,00 €, für eine Hydrostatic-Drehmaschine bei 400 000,00 € und für eine Schleifmaschine oder gar eine Diamantdrehmaschine bei 600 000,00 €.

Darüber hinaus bieten Hardinge-Hochpräzisions-Drehmaschinen mehr Fertigungsmöglichkeiten gegenüber den eingeschränkten Möglichkeiten des Schleifens oder Diamantdrehens. Je nach Konfiguration der Hochpräzisions-Drehmaschinen ist Drehen, Fräsen und Schleifen zur Herstellung komplexer Werkstücke möglich. Neben den geringeren Investitionskosten reduzieren sich auch die Prozesskosten.

Die Genauigkeit ist der Schlüssel

Zu den wichtigsten Faktoren für höchste Genauigkeit gehören die statische und die dynamische Steifigkeit einer Präzisions-Drehmaschine. Diese Werte, so Dr. Kushnir, wurden in jahrelanger Entwicklungsarbeit stetig verbessert und genügen heute den Anforderungen, die für höchste Genauigkeit erforderlich sind. Dr. Kushnir erklärt, dass FEA (Finite Elements Analysis) durchgeführt wurden, um so eine stabile, konstruktiv ausgewogene Maschine zu entwickeln.

Der Einsatz einer unabhängigen Y-Achse verbessert die Genauigkeit. Die leistungsstarke Hauptspindel bietet die Leistung, die für das Hochgenauigkeitsdrehen benötigt wird (T 42: Drehzahl 6000 U/min / Antriebsleistung 11 kW – T51 und T65: Drehzahl von 5000 U/min bei 15 kW, beziehungsweise 4000 U/min bei 26 kW Antriebsleistung). Die Spindeln sind gehärtet und geschliffen und bestehen aus einem Stück. Sie sind in ein robustes Spindelstockgehäuse eingebaut und am Maschinenbett befestigt. Hierdurch ist eine optimale Steifigkeit gewährleistet.

Thermisches Management für bessere Genauigkeit

Was das thermische Verhalten angeht, setzt Hardinge hier nicht auf herkömmliche thermische Kompensation, sondern auf ein thermisches Management. Dr. Emmanuil Kushnir erklärt, dass thermische Kompensation sich negativ auf die Genauigkeit auswirkt. An 36 Messpunkten werden die Maschinen auf ihr thermisches Wachstum überprüft, um dann nach Auswertung der Messergebnisse die notwendigen Feinjustierungen für Spindel und Kühlmitteltemperiereinrichtungen entsprechend des Einsatzzweckes vornehmen zu können. Jeder Kühler verfügt dabei über einen geschlossenen Regelkreis. Peripheriegeräte wie Kühlmittelpumpen, Schaltschrank und Hydrauliksystem befinden sich separat auf einer vom Maschinenbett entfernt installierten Einheit. So wird verhindert, dass sich Hitze und Schwingungen auf das Maschinenbett und den eigentlichen Arbeitsraum übertragen.

Kontinuierlich Maschinengenauigkeit von 3 µm

Die Hardinge-T-Serie wurde entwickelt für das Präzisionsdrehen von gehärteten Werkstoffen mit einer Härte von über 64 HRc. «Wir haben nicht irgendetwas Aussergewöhnliches gemacht, wir haben kompromisslos gutes Ingenieurwissen angewandt», bemerkt Dr. Kushnir. Messprotokolle belegen eine kontinuierliche Maschinengenauigkeit von 3 µm, eine Werkstück-Rundheit von 0,25 µm, eine Wiederholgenauigkeit (an allen Achsen) von 0,76 µm und ein Surface finish von 0,15 µm. Drehversuche für Kunden haben sogar gezeigt, dass eine kontinuierliche Maschinengenauigkeit von 1 µm erreicht wird. Dieses Ergebnis wurde vom Lawrence Livermore National Labatory LLNL, einem unabhängigen Institut für Genauigkeitsüberprüfung, bestätigt. Nach Auswertung der Daten des LLNL-Instituts erreichen die Maschinen der T-Serie eine Rundheits- und Formgenauigkeit von +/–0,001 mm.

Über Hardinge

123 Jahre Erfahrung und Kompetenz haben aus Hardinge einen Global Player in der Maschinenbauindustrie gemacht, mit Fertigungsstätten in den USA, Europa und Asien und weltweiten Vertriebsbüros. Die Hardinge Super-Precision Europe in Krefeld, unter der Geschäftsführung von Herrn Markus Herdegen, ist der strategische Brückenkopf für Europa. In Zuge der Erweiterung des Vertriebsnetzes ist seit Anfang diesen Jahres die Firma Perfecbore aus Port der Vertriebshändler in der Schweiz. Herr Pierre Moser und sein Team sind kompetente Ansprechpartner, wenn es um Super-Precision und High-End-Bearbeitung geht. In enger Zusammenarbeit mit dem Technical Center of Excellence in Krefeld können komplexe Prozesse für eine alternative und effiziente Fertigung beim Kunden etabliert werden. In Europa fokussiert Hardinge die Maschinenserien der «Super Precision»-CNC-Hochgenauigkeits-Drehmaschinen T 42/T 51/T 65 und der Quest-GT-Serie. Diese Maschinenreihen sind wegen ihrer sehr hohen Genauigkeit hervorragend geeignet für die Hartbearbeitung und für kombinierte Dreh- und Schleifoperationen. <<

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