Höchstpräzision in der Hartbearbeitung

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Extreme Grundvoraussetzung: ± 1 ?m genau

Erfolgsgeheimnisse sind eine patentierte Stahllegierung, die Härten von 58-65 HRC erreicht, vor allem jedoch Genauigkeiten, die deutlich über das im Werkzeugbau übliche Niveau hinausgehen. Die für eine einwandfreie Funktion der Pumpen zwingend einzuhaltenden Spaltmasse setzen nämlich voraus, dass die Abmessungen wesentlicher Bereiche sowohl der Zahnräder als auch der Gehäuse auf ± 1 ?m genau gefertigt werden. In dem genauigkeitsgebenden Fertigungsbereich sieht man deshalb auch zahlreiche Präzisionsschleifmaschinen. Selbstverständlich ist die entsprechende Abteilung vollständig klimatisiert und verfügt über umfangreiche Messmittel wie z.B. Messmaschinen für Form und Zahn der erforderlichen Genauigkeitsklasse aus dem Mahr-eigenen Produktprogramm.

Suche nach neuer Bearbeitungstechnologie

«Vor etwa 3-4 Jahren begannen wir, uns nach einer neuen, flexibleren Produktionstechnologie umzusehen», ergänzt R. Schad. Um die Wettbewerbsfähigkeit zu erhalten und weiter ausbauen zu können, sei es notwendig, zunehmend komplexere Bauteile unter Einhaltung der sehr hohen eigenen Qualitätsanforderungen kostengünstiger, schneller und flexibler zu produzieren als der Wettbewerb.

Diese Steigerung der Produktivität setze die Optimierung der notwendigen Prozessketten hinsichtlich folgender Zielgrös­sen voraus:

- Automatisierung, um die Nebenzeiten erheblich zu verkürzen,

- Reduzierung der Hauptzeiten durch höhere Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeiten,

- Verringerung der manuellen Nacharbeit durch Erhöhung der Bearbeitungsgenauigkeit,

- Reduktion der Durchlaufzeit durch Kombination neuer Fertigungstechnologien wie Hartfräsen, Hochgeschwindigkeitsschleifen, Längen- und Formmessung auf einer Bearbeitungsmaschine.

Neue Werkzeugtechnologien optimieren Hartbearbeitung

Durch die raschen Fortschritte im Bereich der Schneidstoffe, der Werkzeugkonzepte, der Maschinen- und Steuerungstechnik ist es heute möglich, hoch vergütete und gehärtete Werkzeug- und Schnellarbeitsstähle wirtschaftlich durch HSC-Hartfräsen zu bearbeiten und dadurch das bis dato vorherrschende Fertigungsverfahren - elektro-erosives Abtragen - in den meisten Fällen - abzulösen. Aufwendige Versuchsreihen bestätigten den Technologiewechsel.

Alternativ zur Funkenerosion wurde daher der Einsatz eines HSC-Fräsbearbeitungszentrums höchster Genauigkeit ins Auge gefasst. Im Rahmen eines umfassenden Qualifizierungsverfahrens wurde die Eignung der Modelle der am Markt führenden Hersteller beurteilt.

Kompromisslos genau: «hydrostatische» Werkzeugmaschine

«Ausschlaggebend für die Entscheidung zugunsten der Röders-Technologie war letztlich, dass sie die beste Kombination der für uns wesentlichen Kriterien bietet und uns die gewählte Maschine bezüglich der beim Koordinatenschleifen erreichbaren Genauigkeit voll überzeugt hat», erläutert Feinmechaniker Guido Lütgert, der für die im Herbst 2006 gelieferte RHP 800 zuständige Mitarbeiter. Dazu gehört, dass sie neben der erforderlichen Genauigkeit auch die Steifigkeit aufweist, um alle Materialien von Alu bis zu gehärteten Werkzeugstählen mit hoher Leistung zu bearbeiten. Ebenso entscheidend war jedoch auch, dass die Anlage es gestattet, alle wichtigen Prozessschritte - Fräsen, Koordinatenschleifen sowie 3D-Vermessung - in der Maschine durchzuführen.

Die ständige Kontrolle der Bearbeitungsergebnisse durch die bei Mahr auf hohem Niveau durchgeführten Qualitätskontrollen zeigt, dass die RHP 800 die geforderte Genauigkeit bei der Bearbeitung ebenso wie bei der Vermessung auch nach inzwischen mehr als 2,5 Betriebsjahren prozesssicher einhält

Direktantriebe in den Linearachsen

Grundlage dieser Leistung ist zunächst ein Maschinenbau ohne Kompromisse. Ein massives Maschinenbett mit Lineardirektantrieben in allen drei Achsen sowie einem reibungsfreien Gewichtsausgleich für die Z-Achse ergibt die stabile und dennoch hochdynamische Basis für alle Achsbewegungen.

Eine besondere Rolle spielen in diesem Zusammenhang die hydrostatischen Führungen. Bei diesen «schwimmen» die Achsen auf einem dünnen Ölfilm, dessen Dicke mit Hilfe eines besonderen Regelventils konstant gehalten wird. Dank dieses Konzepts sind die Achsen reibungs- und verschleissfrei, wodurch die bei anderen Achskonzepten kaum vermeidbare Hysterese bei Richtungswechseln entfällt und somit die Antriebsregler äusserst präzise eingestellt werden können.

Dies ist u.a. Voraussetzung dafür, dass Kreise auch bis unter den Mikrometerbereich herab tatsächlich als Kreise gefahren werden. Zugleich gewährleistet diese Verschleissfreiheit die Langzeitkonstanz der Bearbeitungsgenauigkeit.

Ausgefeiltes Temperaturmanagement

Weiterer wichtiger Aspekt ist ein bis ins Detail ausgefeiltes Temperaturmanagement. Alle wichtigen Anlagenkomponenten wie Achsen, Spindel, Linearantriebe und Arbeitstisch werden mit separaten Kühlkreisen exakt auf vordefinierter Temperatur gehalten. Herausragende Besonderheit ist dabei die automatische Längungskompensation der Spindel, mit deren Hilfe nicht nur die Erwärmung der Spindel, sondern auch der Einfluss schwankender Belastung ausgeglichen wird. Somit kann ein Abdriften der Nullpunkte sicher verhindert werden.

Komplettbearbeitung in einer Aufspannung

«Weiterer wesentlicher Aspekt war die Ausstattung, mit deren Hilfe alle erforderlichen Arbeitsgänge in derselben Aufspannung gefahren werden können», verrät R. Schad.

Dies beinhaltet vor allem die Ausstattung der Maschine mit allen Einrichtungen für eine automatische Koordinatenschleifbearbeitung. So verfügt die RHP 800 neben dem Standard-Werkzeugmesslaser zusätzlich über ein Körperschall-Werkzeugvermessungssystem, mit dem sich die exakten Abmessungen des Schleifstifts automatisch ermitteln lassen, sowie über eine Abrichtstation, mit der eine einwandfreie Geometrie des Schleifwerkzeugs erzeugt werden kann.

Über eine spezielle NC-Funktion der Steuerung können Schleifoperationen - nicht nur für Zylinderflächen, sondern auch für beliebige 2D-Konturen - aufgerufen und vollautomatisch abgearbeitet werden. Damit ist eine vollkommen mannlose Bearbeitung möglich.

Für die exakte Vermessung und QS-Dokumentation noch in der Maschine verfügt das System zudem über einen Messtaster, der dank des Einsatzes von gleich zwei verschiedenen Kalibrierkörpern - Kugel und Ring - so präzise arbeitet, dass damit selbst höchste Genauigkeitsanforderungen erfüllt werden können. Mit diesem Messtaster wird nach dem Vorschliff die Abweichung in der Bearbeitung, die sich durch Werkzeugabdrängung und -verschleiss ergibt, automatisch erfasst und dann im Fertigschliff automatisch durch die Maschinensteuerung kompensiert. Ein manueller Eingriff zur Ermittlung dieser Abweichungen entfällt damit vollständig.

Deutliche Einsparungen: 40 Prozent schneller

«Verglichen mit der alten Bearbeitungstechnologie bearbeitet die Röders RHP Pumpengehäuse um rund 40 % schneller», erklärt G. Lütgert. Möglich wurde dies auch deswegen, weil man mit der Röders-Anlage die Vorbearbeitung auf Schlichtaufmass durch das dem Schleifen bezüglich der Produktivität überlegene HSC-Fräsen ersetzen konnte.

Ein weiterer Aspekt ist die Fähigkeit der Anlage, auch harte Materialien mit hoher Geschwindigkeit zu fräsen, was u.a. durch die hohe Maschinensteifigkeit und leistungsfähige Spindel ermöglicht wird

26-mm-Bohrung in 5 Minuten in gehärteten Stahl

So braucht man bei dem bereits erwähnten Stahl mit einer Härte von 58-65 HRC nur 5 min, um ein Loch mit einem Durchmesser von 26 mm in eine 15 mm starke Platte bei minimalem Werkzeugverschleiss zu fräsen.

Fallweise kann man daher vor allem bei kleineren Losgrössen von der üblichen Arbeitsweise - Vorbearbeitung im weichen Zustand, Härten und anschliessende Endbearbeitung - abgehen und alle Arbeitsgänge am fertiggehärteten Werkstück vornehmen. Dadurch entfallen zeitraubende Umrüstvorgänge, wodurch die Bearbeitungszeiten und ebenfalls die Durchlaufzeiten deutlich reduziert werden.

Geforderte Rundheiten von ± 1 ?m problemlos

Besonders erfreut zeigt sich G. Lütgert auch über die Genauigkeit, die sich sowohl beim Fräsen als auch beim Schleifen erzielen lässt. Bei Bohrungen mit Durchmessern von 20-50 mm lassen sich die geforderte Rundheiten von ± 1 ?m problemlos einhalten, bei Kontrollmessungen werden regelmässig Rundheiten in der Grössenordnung von 0,6 ?m ermittelt.

Sehr zufrieden ist er mit der Oberflächenqualität sowohl beim Schleifen als auch beim Fräsen, die einen vollständigen Verzicht auf eine manuelle Nacharbeit ermöglicht.

Fertigung hochgenauer Schneidbacken

«Ein weiteres Einsatzgebiet, auf dem die Vorteile der RHP 800 zur Geltung kommen, ist die Bearbeitung von Schneidbacken für Umformwerkzeuge im Karosseriebereich», weiss R. Schad. Angesichts der Massivität der Teile und der beeindruckenden Abmessungen der Werkzeuge, in denen sie zum Einsatz kommen, erstaunt zunächst die Tatsache, dass es bei ihrer Herstellung auf Genauigkeit im Mikrometerbereich ankommt.

Dies wird jedoch schnell verständlich, wenn man bedenkt, dass bei diesen Werkzeugen getrennt gefertigte Backen jeweils gegenläufige Schneiden bilden. Optimales Schnittverhalten ist nur zu erreichen, wenn das Spaltmass zwischen den Schneiden äusserst präzise über die gesamte Kontur eingehalten wird. Schon kleine Geometrieabweichungen können unerwünschte Verformungen der Blechkanten oder drastisch steigende Belastungen des Werkzeugs durch Klemmkräfte bedingen. Die Folge seien Qualitätseinbussen, höhere Instandhaltungsaufwendungen sowie verringerte Lebensdauer der Schneidbacken.

Werden solche Backen durch Funkenerosion hergestellt, dann muss die «weisse Schicht» durch einen manuellen Schleifvorgang entfernt werden, da sie nicht nur schnell verschleisst, sondern aufgrund ihrer Mikrorisse auch die Bildung von Rissen bzw. Brüchen im Bereich der Schneidkanten begünstigt. Zudem führte das manuelle Nachbearbeiten zu ungleichmässigen Formen bzw. Geometrieabweichungen, die aufwendige Anpassungen z.B. nach Ersatz eines verschlissenen Bauteils bedingten.

Erhebliche Vorteile

Die Umstellung der Fertigung dieser Schneidbacken, die Fa. Mahr im Lohn herstellt, auf eine abschliessende Hartfräs- und Schleifbearbeitung im auf 65 HRC gehärteten Zustand mit der Röders RHP 800 brachte erhebliche Vorteile.

Dabei wird die Geometrie der zur Begrenzung der Schnittkräfte dreidimensional geschwungenen Spanfläche durch Hartfräsen, die Geometrie der Freifläche dagegen durch HSC-Fräsen und abschlies­sendes Koordinatenschleifen erzeugt. Die dabei erzielte Genauigkeit ist so gut, dass die Schneidbacken im Einsatz wesentlich höhere Standzeiten erreichen.

Besonders interessant ist für die Anwender zudem, dass mit der RHP erzeugte Ersatzteile für verschlissene Backen so gut passen, dass nach einem Austausch sofort weiter produziert werden kann. «Somit können wir auch in diesem Bereich, in dem wir als Lohnfertiger auftreten, die Vorteile unserer Technologie voll ausspielen. Neben kurzen Durchlaufzeiten können wir durch die mannarme Fertigung diese Aufträge sehr wirtschaftlich bearbeiten», fasst R. Schad seine Erfahrungen zusammen. Der Auftraggeber schätzt neben der gesteigerten Lebensdauer und Genauigkeit der Backen vor allem auch die kurzen Lieferzeiten.

Autor

Klaus Vollrath, Fachjournalist

Informationen

Röders GmbH

D-29614 Soltau

www.roeders.de

CH-Vertretung

Werner Pfister

Isenrietstrasse 1, 8617 Mönchaltorf

Tel. 044 949 16 66Fax 044 949 16 32

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Anwender

Mahr Metering Systems GmbH

Brauweg 38, D-37073 Göttingen

Tel. 0049-551-7073-0

www.mahr.de