Hochleistungsbearbeitung von Chrom-Nickelstählen Nakamura-Flachführung sorgt für Hochleistungszerspanung

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Walter Meier (Fertigungslösungen) AG

BC-Tech AG

GGB Heilbronn GmbH

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Säurebeständige, schwer zerspanbare Chrom-Nickelstähle gehören zerspanungstechnisch zum Standardrepertoire der BC-Tech AG, die sich auf die Herstellung von High-End Glas-Metall-Kontakt-Durchführungen spezialisiert hat. Um die schwierig zu zerspanenden Grundkörper effizient und flexibel zu zerspanen, hat das Unternehmen in eine roboterautomatisierte Nakamura-Tome WT-250II MMY investiert, eine hochsteife Maschinenausführung mit Flachbettführung, welche im Rahmen dieser Anwendung absolut zwingend war.

Sind Wälz-Linearführungen heute in den meisten Werkzeugmaschinen Standard und haben Flachführungen mehrheitlich abgelöst, zeigt dieser Anwendungsfall, dass Flachführungen in spezifischen Anwendungsfällen Grundvoraussetzung für stabile Fertigungsprozesse sind und damit eine mannarme, automatisierbare Fertigung erst ermöglichen.

Die von BC-Tech AG geforderte flexible Fertigungslösung musste u.a. folgende Kriterien erfüllen:

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• Automatisierte Fertigung von 2 000 Dreh-Komponenten pro Jahr, hochlegierter Chrom-Nickel-Stahl (X2CrNiMo17-12-2), ca. 150 mm Durchmesser und 80 mm Länge mit anspruchsvollen fertigungstechnischen Operationen, 70 Prozent Spananteil.

• Hinzu kommen wechselnde Zuliefer-Bauteile auf die Maschine, die sowohl ab Stange oder als Futterteile zu bearbeiten sind.

• Alle Prozesse sollen für die zu fertigenden Komponenten prozesssicher und überwiegend mannlos realisiert werden.

Der besagte Grundkörper wurde bis anhin auf einer 2007er-Nakamura-Tome TW20 (ebenfalls mit Flachführungen) gefertigt, wo die Futterteile per Hand be- und entladen wurden, bei ca. 15 Minuten reiner Bearbeitungszeit. Das heisst für den Bediener, dass er vier Mal pro Stunde die Maschine bedienen musste.

Wegen des schwierig zu zerspanenden Werkstoffes (vorwiegend säureresistenter Chrom-Nickel-Stahl) und einem relativ hohen Zeitspanvolumen ist eine anspruchsvolle und ausgeklügelte Fertigungslösung gefragt. Die perfekte Aufgabe für die qualifizierten Zerspanungstechniker von BC-Tech AG, die gemeinsam mit Walter Meier (Fertigungslösungen) AG eine automatisierte und flexible Fertigungszelle konzipiert haben.

Basis der flexiblen Fertigungszelle bildet die Nakamura-Tome WT-250II MMY. Es handelt sich um ein 2-revolvriges Multitaskzentrum mit Flachführungen. Die Haupt- und Gegenspindel wurden für diesen Anwendungsfall mit erhöhter Antriebsleistung (26 kW/15 kW) ausgelegt. Die beiden Revolver verfügen über je 12 x 2 Stationen, wovon je 12 angetrieben werden können. Die Revolver-Spindelleistung liegt bei 5,5 kW.

Das Handling der Bauteile erfolgt per Beladeroboter (Robojob, dazu später) oder per Stange und integriertem Handlingsystem (Stangenlader wird 2024 nachgerüstet). Die Entnahme der Futterteile wird per Beladeroboter realisiert. Per Stange zugeführte Fertigteile werden per Band aus der Maschine geschleust.

19 Drehzentren – mehrheitlich Nakamura

Mit Nakamura-Tome hat BC-Tech AG bereits langjährige Erfahrungen gesammelt: 19 Drehzentren, fast ausschliesslich Nakamura-Tome, sechs Fräsmaschinen, eine Drahterodiermaschine, als auch Schleifmaschinen sorgen in der spanenden Fertigung der BC-Tech AG für Komponenten, die zu 100 Prozent «swiss made» sind.

Martin Fetz (Produktionsleiter, BC-Tech AG): «Generell fertigen wir zu 70 Prozent für unsere Eigenprodukte, sogenannte Glas-Metall-Kontakt-Durchführungen, die wir weltweit exportieren. Die weiteren 30 Prozent unserer Fertigungskapazitäten gehen als Zulieferkomponenten ausser Haus. Auf der neuen Nakamura-Tome wird generell ein breites Bauteilspektrum gefertigt, wobei die oben erwähnten grösser bauenden Futterteile die Maschine zu zirka 40 Prozent auslasten. Entsprechend sollte die Auslegung der Maschine auf dieses Schwerpunkt-Teilespektrum ausgelegt sein.»

Andreas Gamper (Techn. Verkaufsberater WZM, Walter Meier (Fertigungslösungen) AG): «Der Zerspanungsanteil dieses Bauteils ist mit 70 Prozent relativ hoch, von dem 11 kg schweren Rohteil verbleiben 3 kg im Fertigteil. Um die Prozesszeit kurz zu halten, muss ein hohes Zeitspanvolumen generiert werden. Das ist aber nicht ganz einfach. Hohes Zeitspanvolumen bei diesem Werkstoff bedeutet starke Werkzeugbelastung, weil der hochlegierte Werkstoff 1.4404 (X2CrNiMo17-12-2) sehr verschleissintensiv ist.»

M. Fetz: «Wir mussten gerade bei den Schrupp­operationen alles optimieren, bis wir eine vernünftige Werkzeug-Standzeit für dieses Bauteil erhielten.»

Grundvoraussetzungen für mannlose Fertigung

M. Fetz: «Für einen automatisierten Fertigungsprozess ist eine hohe Prozesssicherheit über alle Prozesse hinweg zwingend notwendig. Das beginnt mit ausreichend langen Werkzeugstandzeiten und endet mit dem Spänemanagement. Zu Beginn konnten wir sieben Teile schruppen, dann mussten wir die Schruppplatten wechseln. Eine mannlose Schicht war unter diesen Bedingungen nicht realistisch. Wir haben neue WSP getestet, die Werkzeughalter auf fixe Blöcke umgebaut und setzten auf extrem viel Kühlschmierstoff direkt auf die Schneide als auch auf die Freiflächen der Werkzeuge. Mit diesen Optimierungen kamen wir auf 20 Werkstücke pro Werkzeugwechsel. Aber ohne die NT WT-250II MMY wäre diese Prozessstabilität nicht möglich gewesen.»

Warum Flachführungen?

Auf die Frage der SMM-Redaktion, wie er zu der Aussage komme, antwortet M. Fetz: «Das sind Erfahrungswerte. Wir machen im Vorfeld von Neuinvestitionen immer eine Maschinen-Evaluation. In diesem Zusammenhang greifen wir sowohl auf unsere eigenen Erfahrungen als auch die unserer Partner zurück. Als wir das gleiche Bauteil wegen Kapazitätsengpässen auswärts fertigen liessen, hat unser Zulieferer es auf einem qualitativ hochwertigen Multitask-Zentrum mit linearen Wälzführungen gefertigt. Von der Maschinengrösse und vom Gewicht ähnlich wie die NT WT-250II MMY. Sie hatten massive Probleme mit den Werkzeugstandzeiten. Wir machten übrigens genau die gleiche Erfahrung, als wir intern versuchten, das Bauteil ebenfalls auf einem Drehzentrum mit Wälzführungen zu fertigen, was die bisherige Werkzeugstandzeit, die wir auf der flachgeführten Nakamura-Tome TW 20 erreichten, bei sonst gleichen Bedingungen, geviertelt hat. Damit war klar: Wir brauchten ein flachgeführtes Maschinenkonzept, wie die Nakamura-Tome TW 20.»

A. Gamper: «Flachführungen sorgen nachweislich für eine hohe Grundstabilität des Zerspanungsprozesses, sie haben darüber hinaus eine schwingungsdämpfende Wirkung. Man muss bei solchen zerspanungstechnischen Anforderungen, wie in diesem Fall, ein extrem steifes Gesamtkonzept fahren, was aus unserer Sicht Grundvoraussetzung für prozesssichere und damit automatisierbare Fertigung ist. Jede Schnittstelle reduziert die Steifigkeit. Die Grundhalter, die aktuell auf der Maschine verbaut werden, werden von BC-Tech in Eigenregie gefertigt. Wir kennen die Stärken dieser Halter und vertreiben sie schweizweit.»

Schruppplatten: Standzeit 20 Arbeitszyklen

Die Standzeit der Schruppplatten konnte mit den Optimierungsmassnahmen auf 20 Bearbeitungszyklen erhöht werden, so kann die Maschine zirka 5 Stunden mannlos fertigen, wie M. Fetz sagt: «Wir wechseln die WSP direkt auf den Werkzeughaltern und messen anschliessend die Werkzeuge neu aus. Die Standzeiten haben wir für die verschiedenen Werkzeuge definiert. Eine Schruppplatte bringt 20 Teile, eine Schlichtplatte 50 Teile. Sinnvollerweise wechseln wir die Schlichtplatten nach 40 Teilen immer gemeinsam mit jedem 2. Schruppplattenwechsel. Das ist wirtschaftlicher, als wenn wir die Maschine wiederholt stoppen würden. Perfekt wäre es, wenn wir die Standzeit der Schruppplatten auf 25 oder die der Schlichtplatten auf 60 Bearbeitungszyklen erhöhen könnten, das optimieren wir noch.»

Wärmestabilität und Grundpräzision

Eine hohe Wiederholgenauigkeit ist ebenfalls Grundvoraussetzung, um mannarm mehrschichtig zu fertigen, wie M. Fetz sagt: «Deshalb haben wir auf allen X-Achsen Glasmassstäbe verbaut, das zahlt sich sofort aus in der laufenden Produktion und bringt eine hohe Wiederholgenauigkeit am Werkstück. Auch der Wärmegang der NT WT-250II MMY passt für unsere Anwendungen, am Morgen liegt dieser bei maximal 2/100 vom Vorabend. Generell hätte die NT WT-250II MMY auch eine Wärmekompensation, aber wir produzieren ohne diese Funktion. Bisher funktioniert es sehr gut. Wir können die Maschine aktuell 20 x 15 Minuten laufen lassen, ohne in der Maschine zwischendurch zu vermessen. Sie ist Stand heute – auch während der mannlosen Schicht – zu 100 Prozent prozesssicher.»

Spänemanagment

Oben wurde bereits beschrieben, die Standzeit der Werkzeuge ist die eine Seite bei der mannlosen Fertigung, aber auch das Spänemanagement muss greifen, wie M. Fetz sagt: «Um Fliessspäne zu vermeiden, fahren wir die Schnittwerte so, dass wir beim Schruppen möglichst dicke Späne erzeugen. Je dicker der Span, umso besser bricht er. Weiterer entscheidender Faktor ist eine ausgeprägte Spanleitstufe der Werkzeugschneiden. Generell ist bei diesem Werkstoff der Spanbruch akzeptabel, aber das ist alles andere als ein Selbstläufer.»

Automation für 30 Roh- und Fertigteile

Da ein Grossteil der auf dieser Maschine laufenden Bauteile als Futterteile automatisiert zu- und abgeführt werden müssen, wurde auf eine Knickarmroboter- und Palettierlösung des Herstellers Robojob gesetzt. Zusätzlich wurde die Maschine für die Anbindung eines Stangenladers ausgelegt, um zukünftig auch Komponenten ab Stange fertigen zu können, die über einen integrierten maschineneigenen Portalroboter entnommen und nach aussen geführt werden, ohne dass die Maschine geöffnet werden muss.

A. Gamper: «Wir arbeiten seit fünf Jahren mit dem Automationsspezialisten Robojob zusammen, der genau für solche flexiblen Anforderungen mit wechselndem Futterteilespektrum perfekt zugeschnittene Automationslösungen entwickelt hat, die extrem einfach in die Nakamura-Maschinen systemisch zu integrieren sind. Bei dem Roboter handelt es sich um einen Fanuc-Knickarm-Roboter, der 25 kg (Greifer plus Bauteile) handeln kann.» Zur Erinnerung: Das Rohteilgewicht beträgt 11 kg, das Fertigteil liegt bei 3 kg.

M. Fetz: «Beim Greifer handelt es sich um einen standardisierten Doppelgreifer, sodass das Be- und Entladen in einem Vorgang realisiert wird. Aktuell können wir mit diesem Greifer alle anfallenden Werkstücke handeln. Der zugehörige Werkstückspeicher, am Kopf der Maschine, wurde auf 30 Roh- und Fertigteile ausgelegt, und damit 10 Bauteile mehr als derzeit am Stück gefertigt werden. Bei einer Laufzeit von 15 Minuten kann die NT WT-250II MMY-Fertigungszelle auf diesem Bauteil drei Viertel einer Schicht unbedient durchlaufen. Gesichert wird das System über eine dreistufige adaptive Laserschranke.»

Umrüsten auf neues Teilespektrum unter 30 Minuten

A. Gamper: «Diese Art der Automation wird sowohl wegen ihrer Flexibilität als auch der extrem intuitiven Bedienung derzeit stark nachgefragt, insbesondere von Lohnfertigern mit stetig wechselndem Auftragsspektrum. Die Robotersteuerung gibt vor, wo und wie man das Palettsystem rüsten muss, es wird dem Bediener Schritt für Schritt aufgezeigt.»

M. Fetz: «Wir haben verschiedene Automationslösungen in der Produktion. Das Robojob-System macht im Vergleich zu anderen Systemen das Umrüsten von einem Teil auf das andere tatsächlich extrem einfach, es ist absolut selbsterklärend. Wir benötigen derzeit 30 Minuten beim Wechsel auf ein anderes Werkstückspektrum.»

A. Gamper: «Apropos Flexibilität: Man kann während des laufenden Fertigungsprozesses beispielsweise das Bauteil vermessen lassen, bevor der Roboter das Teil greift, das lässt sich während des Prozesses einfach manuell steuern. Das ist möglich aufgrund der sogenannten G-411-Jump-Funktion. Für den Bediener ist diese G-Funktion extrem hilfreich. Die Maschine gibt praktisch vor, was passiert, der Roboter reagiert darauf.»

Steuerung und Bedienung ist wie Velofahren

Zum Thema Fanuc-Steuerung sagt M. Fetz: «Die Bedienung der Nakamura-Steuerungen ist für uns wie Velofahren. Die erste Nakamura haben wir vor 25 Jahren gekauft. Wir kennen die Maschinen und deren Steuerungen aus dem Effeff. Die Bauteile werden aber immer am CAM-System programmiert, das NC-Programm geht dann per Postprozessor auf die Maschine und wird dort vom Maschinenoperateur optimiert.

Wann sind Flachführungen von Vorteil?

Auf die Frage des SMM, ob Flachführungen generell zu bevorzugen seien, antwortet M. Fetz: «Das hängt immer vom Teilespektrum ab. Wälzgelagerte Werkzeugmaschinen haben andere Stärken, können hochdynamisch gefahren werden. Das war hier aber nicht gefragt. Die Maschine muss primär einmal zum Teilespektrum passen. In diesem Fall haben wir schwer zerspanbaren Werkstoff, ein grosses Spanvolumen und wir wollten den Prozess automatisieren. Für diese Anwendung ist eine flachgeführte Werkzeugmaschine eindeutig die erste Wahl. Und nach unseren ersten Erfahrungen sind wir absolut begeistert von der gesamten Fertigungslösung inklusive der Automationslösung. Walter Meier (Fertigungslösungen) AG hat gemeinsam mit uns eine massgeschneiderte Fertigungszelle entwickelt. Das war wirklich vorbildlich.»

Und zum Service sagt M. Fetz: «Wir haben 18 Nakamura-Tome in der Produktion und gerade eine neue in die Produktion integriert. Das liegt auch daran, dass die Service-Spezialisten von Walter Meier (Fertigungslösungen) AG einen wirklich guten Job machen.»

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