Bearbeitungszentrum Präzises Fräsen und Schleifen selbst hoch harter Werkstücke

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In vielen industriellen Einsatzbereichen ist der doppelte Trend hin zu grösseren Bauteile bei zugleich höheren Ansprüchen an Genauigkeit und Oberflächengüte zu beobachten. Wie ein mittelständischer Werkzeugmaschinenhersteller eine Maschine für diese Herausforderungen entwickelt hat, lesen Sie hier.

„Unser neues Fräsbearbeitungszentrum RXU 2000 kann selbst besonders grossformatige Bauteile mit höchster Präzision bearbeiten“, sagt Dipl.-Ing. Jürgen Röders, Geschäftsführer der Röders GmbH in Soltau. Das hierfür neu entwickelte 3-Achs-Fräs- und Schleifbearbeitungszentrum RXU 2000 verfügt über einen Arbeitsraum von 2.000 Millimetern × 1.800 Millimeter × 800 Millimeter und erreicht darin Stichmass-Genauigkeiten unter 5 Mikrometer sowie Rundheiten von 1 bis 2 Mikrometern je nach Bohrungsgrösse. Die Tischbelastbarkeit liegt bei 5 Tonnen. Entsprechend der Firmenphilosophie des Unternehmens wurde dabei darauf Wert gelegt, dem Anwender ungeachtet der hohen Zerspanungsleistung des Systems auch ein grösstmögliches Mass an Präzision des Arbeitsergebnisses zu bieten. Angesichts der Abmessungen und der hohen Maschinenleistung sei dies eine echte Herausforderung gewesen.

Die Standard-Spindel der RXU 2000 hat deshalb ein Drehmoment von 101 Newtonmetern bei 22.000 Umdrehungen pro Minute. Je nach Anwendung können aber auch Spindeln bis 80.000 Umdrehungen pro Minute eingesetzt werden, dann natürlich mit reduzierter Schruppleistung. Im Vergleich zur herkömmlichen Philosophie, Werkstücke erst weich vorzubearbeiten, um sie anschliessend zu härten und erst danach zu finishen, bietet dies erhebliche Vorteile. Zum einen werden Zeit und Kosten gespart, denn das Werkstück muss nur einmal auf die Maschine. Auch können so Transportaufwendungen sowie Zeitverzögerungen durch eine zwischengeschaltete Vergütungsbehandlung komplett entfallen. Mit Blick auf hohe Genauigkeitsanforderungen ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, dass der beim Härten auftretende Verzug der Werkstücke vermieden wird. Dieser Verzug bedingte bei der alten Bearbeitungsstrategie zusätzliche Kosten durch Sicherheitsaufmasse bei der Weichbearbeitung, die dann im harten Zustand kostentreibend abgespant werden mussten.

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Weiterer wesentlicher Vorteil des Maschinenkonzepts ist, dass die Anlage sowohl zum Fräsen als auch zum Schleifen eingesetzt werden kann. Beim Schleifen sind neben dem Koordinatenschleifen zudem noch Varianten wie Profilschleifen möglich. Da alle Arbeitsgänge in der gleichen Aufspannung erfolgen, sind keine Abweichungen durch Abspannen und erneutes Aufspannen zu befürchten: Das Teil kommt fix und fertig mit Messprotokoll aus der Maschine. Zudem lassen sich durch Vermessen in der gleichen Aufspannung kleinere Massabweichungen, die nach dem Schruppen festgestellt werden, beim Schlichten noch ausgleichen.

Quadroguide und Linear-Direktantriebe für erhöhte Steifigkeit

„Um die hohen Belastungen beim Schruppen dauerhaft aushalten zu können, wurden sowohl die Z- als auch die Y-Achse im Quadroguide-Design ausgeführt“, erläutert J. Röders. Bei diesem Konzept verfügt die Z-Achse nicht wie üblich über lediglich zwei, sondern über gleich vier Führungsschienen in allen vier Ecken. Dies erhöht die Steifigkeit und Robustheit dieser Achsen in erheblichem Masse. Weiteres wesentliches Ausstattungsmerkmal sind präzise und zugleich hochdynamische Linear-Direktantriebe in allen drei Achsen. Diese spielten ihr Potenzial voll durch die Röders-Steuerung aus, die mit 32 Kilohertz-Reglern kleinste Abweichungen aufgrund von Bearbeitungs-, Massen- oder Reibungskräften schnell und präzise ausregelt.

„Für unsere AMB-Messepräsentation haben wir ein auf 48 HRC vergütetes Werkstück aus dem Chromstahl X33CrS16 (1.2085) gewählt“, ergänzt J. Röders. Die damit realisierte Geometrie ist der einer realen Grundplatte für ein Folgeverbund-Stanzwerkzeug nachempfunden, die mit Standardwendeplattenwerkzeugen geschruppt und mit Schleifwerkzeugen von Krebs & Riedel hochpräzise fertiggeschliffen wird. Dieser Stahl hat im Bereich der Raumtemperatur einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa 10,5 Mikrometer/(m * K). Die Diagonale eines flachen Werkstücks mit den Abmessungen der Tischfläche würde demnach bei einer Temperaturerhöhung um 1 Kelvin um fast 30 Mikrometer zunehmen. Andersherum gesehen darf sich zur Einhaltung der zugesicherten Stichmassgenauigkeit von 5 Mikrometern die Temperatur des Werkstücks um höchstens 0,15 Kelvin ändern. Dabei werden im vergleichsweise kleinen Arbeitsraumvolumen von ca. 3 Kubikmetern allein schon seitens der Frässpindel bis zu einige Kilowatt-Leistung umgesetzt. Hinzu kommen die Linearmotoren der drei Hauptachsen. Um die Temperatur von Werkstück und Arbeitsraum unter diesen Bedingungen bei langen Bearbeitungszeiten auf maximal 0,1 Kelvin stabil halten zu können, habe man tief in die Trickkiste greifen müssen.

Besondere Aufmerksamkeit galt vor allem der Spindel sowie den Linearantrieben, die deshalb über leistungsfähige Primärkühlkreisläufe verfügen, um die dort entstehende Erwärmung möglichst schnell und direkt abzuführen. Darüber hinaus werden die entscheidenden Elemente nochmals durch zusätzliche „Wärmefallen“ von den umgebenden Konstruktionselementen wie Achsen oder Maschinenbett thermisch getrennt. So wird verhindert, dass die nicht von der Primärkühlung aufgefangene Wärme in die Grundkonstruktion eindiffundieren kann. Über eigene Kühlkanäle verfügt darüber hinaus auch das massive Maschinenbett aus vorgespanntem UHPC-Beton (Ultra High Performance Concrete), einem Hightech-Material, das unter anderem bei höchst belasteten Brückenkonstruktionen eingesetzt wird. Im Vergleich zu den oft verwendeten Maschinenbetten aus Mineralguss weist dieses Material keinen Kunststoffanteil auf und ist deshalb deutlich formbeständiger.

Eine weitere Massnahme zur thermischen Stabilisierung ist die Verwendung von Schleiföl anstelle von KSS-Emulsionen auf Wasserbasis. Nachteil der KSS-Gemische ist das darin enthaltene Wasser, das in kaum kontrollierbarer Weise verdunstet und dadurch die Temperaturstabilität im Inneren des Arbeitsraums massiv beeinträchtigt. Das durch einen eigenen Kreislauf auf stabiler Temperatur gehaltene Schleiföl trägt erheblich zur Vergleichmässigung der Temperaturverhältnisse im Werkstück und in der Maschine bei. Als Tüpfelchen auf dem „i“ verfügt die RXU 2000 zudem noch über eine Umlufttemperierung des Arbeitsraums. Dazu wird Luft aus der Halle angesaugt, exakt auf die im Arbeitsraum gewünschte Temperatur eingestellt und dann durch die Maschine geblasen. Vor dem Austritt in die die Halle wird sie selbstverständlich noch gefiltert.

Deshalb verfügt die RXU nicht nur über einen einwechselbaren Messtaster, sondern auch über zahlreiche weitere Hilfsmittel wie Referenzkörper, Messlaser für die Werkzeuge, Körperschalldetektoren mit Diamantflächen für die Anschlifferkennung sowie eine Abrichtspindel für die Schleifwerkzeuge. Dank der Summe der genannten Massnahmen „stehe“ der Maschinennullpunkt der RXU 2000 selbst bei Jobs von mehr als zehn Stunden Dauer. Im Ergebnis erhalte man Werkstücke mit herausragender Massgenauigkeit. „Eine erste RXU 2000 haben wir übrigens bereits Ende 2021 ausgeliefert. Der Kunde ist so zufrieden, dass er bereits über die Beschaffung einer weiteren Anlage nachdenkt“, freut sich J. Röders.

* Klaus Vollrath ist freier Autor

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