Beeindruckendes Ratiopotenzial

von Rudolf Beyer Schon mit dem im September 2008 vorgestellten Synchro-Stützschleifen von Hauptlagern an PKW Kurbelwellen versprach Emag ein gewaltiges Ratiopotenzial von mehr als 70 Prozent. Mit ein paar wenigen Anpassungen lassen sich nun auf der zur EMO in Mailand vorgestellten vertikalen Schleifmaschine VTC 315 DS vergleichbare Ratiopotenziale auch beim Synchro-Unrund-Stützschleifen erzielen. Bei der Komplettbearbeitung von Nockenwellen wird deshalb insbesondere von der Zulieferindustrie ein rascher Einstieg in dieses hochproduktive Schleifverfahren erwartet.

Nach der Futterteilebearbeitung hatte Emag vor sechs Jahren mit der VTC Baureihe auch die 4-Achs-Wellenbearbeitung auf den Kopf gestellt. Hauptvorteil der vertikalen Einspannung ist das zeitparallele Be- und Entladen der Roh- und Fertigteile durch die beiden Werkzeugrevolver sowie der geringe Platzbedarf der Gesamtanlage.

Das vertikale Bearbeitungskonzept eignet sich jedoch nicht nur für die Zerspanung mit definierter Schneide oder die Kombinationsbearbeitung, sondern auch zur reinen Schleifbearbeitung. Die zur AMB 2008 vorgestellte 4-achsige Schleifbearbeitung auf der VTC 315 DS eröffnete mit dem Synchro-Stützschleifen neue Möglichkeiten der schnellen und flexiblen Hartfeinbearbeitung von Wellen, wie Emag dies am anspruchsvollen Beispiel der Kurbelwelle demonstrierte. Zur EMO in Mailand folgte nun die Weiterentwicklung für das Synchro-Unrund-Stützschleifen von Nockenformen, Exzentern und Polygonen.

Beim Synchro-Stützschleifen auf der VTC 315 DS wird das vertikal eingespannte wellenförmige Werkstück simultan von zwei Seiten mit CBN-Schleifscheiben geschliffen und gleichzeitig mit einer nachlaufenden Lünette abgestützt. Dazu sind an der Maschinenwand zwei unabhängig verfahrbare Kreuzschlitten montiert. Die Kreuzschlitten sind zweiachsig ausgeführt – mit X- und Z-Achse –, in diese sind die Schleifspindeln integriert.

So wird das Simultanschleifen von links und von rechts möglich.

Gegenüber dem CBN-Schleifen mit nur einer Schleifscheibe kann dadurch die Schleifzeit bei besserer Werkstückqualität bezüglich Rauheit, Rundlauf, Rundheit und Kurzwelligkeit etwa halbiert werden.

Dieser Aufbau schafft nicht nur eine ausgezeichnete Zugänglichkeit, sondern bringt gegenüber zweiachsigen Horizontal-Schleifmaschinen auch den Vorteil der Kraftabstützung.

Verfahrensvorteil

Für gewöhnlich entsteht beim Schleifen der Hauptkrafteintrag auf das Werkstück über die Normalkräfte. Diese Normalkräfte sind meist um den Faktor drei bis vier höher als die Tangentialkräfte. Beim Simultanschleifen eliminieren sich die Normalkräfte durch die gegenüberliegende Anordnung der Schleifscheiben. Durch das gegenläufige Drehen der Schleifscheiben hebt sich auch das durch die Tangentialkräfte erzeugte Drehmoment auf. Bei besonders schlanken oder auch bei labilen Wellen können jedoch auch noch die resultierenden Tangentialkräfte zur Deformation führen.Für die Bearbeitung dieser Wellen eignet sich das von Emag zum Patent angemeldete Synchro-Stützschleifen, bei dem eine Lünette beim Schleifen an den zu schleifenden Sitz angestellt und synchronisiert mit den Schleifscheiben bis zum Fertigmaß zugestellt wird. Mit diesem Prinzip werden auch die Schleiftangentialkräfte abgefangen.

Wie kommt es nun zu dem enormen Ratiopotenzial beim Einsatz der VTC 315 DS? Roland Schmitz, bei Emag Leiter Technologie Schleifen: „Beim klassischen Rundschleifen muss man nach dem Schruppen schon relativ früh eine Entspannungsphase am Werkstück einleiten – Schlichten, Feinschlichten und Ausfunken. Man muss viel Zeit investieren, damit sich das Werkstück entspannt, formtreu geschliffen wird und man keine ‚Kommas‘ bekommt. Beim Synchro-Stützschleifen haben wir einen Schleifprozess, bei dem wir bis ganz kurz vor das Fertigmaß mit Werten zustellen, die das Schleifwerkzeug maximal hergibt. Man kann ja prinzipiell die beiden Spiralen, die ineinander laufen, mit dem doppelten Vorschub fahren. Die einzelne Scheibe schleift ja jeweils nur die eine Hälfte des Abtrags, die andere Hälfte macht die andere Scheibe. Schlichten braucht man gar nicht mehr. Nach dem Schruppen folgt direkt das Feinschlichten und eine kurze Ausfeuerphase zum Entspannen. Das Wegbiegen des Werkstückes, wie es beim normalen Rundschleifen der Fall ist, entfällt, weil sich die Kräfte der beiden Schleifscheiben beim Simultanschleifen gegenseitig aufheben. Daraus resultiert der enorme Zeitgewinn von 72 Prozent, den wir ermittelt haben.“

Das 4-achsige Schleifen vertikal eingespannter Getriebewellen hat mittlerweile sehr großes Interesse gefunden. Viele Emag-Kunden hielten es laut Roland Schmitz zunächst nicht für möglich, dass das Synchro-Stützschleifen tatsächlich funktioniert. Seit der Erstvorstellung des neuen Schleifverfahrens wurden von den Emag-Technologen deshalb viele Kunden-versuche gefahren, die überzeugend zeigten, dass das Ganze tatsächlich bei einem so komplexen und labilen Gebilde wie einer Kurbelwelle funktioniert. Emag-Geschäftsführer Dr.- Ing. Guido Hegener: „Da wir die einzelnen Hauptlagersitze sehr viel schneller schleifen (Ratiopotenzial 70 Prozent) und die teuren, unflexibleren Multiwheeler optimal ablösen könnten sehen wir großes Potential für die Zukunft. Jedoch ist die derzeitige Krise nicht besonders förderlich, wenn es um größere Investitionen geht. Hinzu kommt, die Prozesskette Kurbelwelle umfasst viele Schleifoperationen (Mittellager-, Flansch- und Zapfenbearbeitung, Plan- und Passlagerbearbeitung, Vor- und Fertigschleifen der Hubzapfen). „Wir arbeiten daran, alle Schleifprozesse vertikal auf der VTC 315 DS darzustellen. Bis jetzt sind wir schon weit gekommen, haben jedoch noch ein gutes Stück des Weges vor uns.“

Serienfertigung

Einen sehr schnellen Einstieg in die Serienfertigung verspricht sich Emag vom Unrund-Synchro-Stützschleifen von Nockenwellen. Dazu musste die VTC 315 DS nur in wenigen Punkten modifiziert werden. Roland Schmitz, bei Emag Leiter der Technologie Schleifen: „Bei der Entwicklung der vertikalen Rundschleifmaschine haben wir natürlich von vornherein auch an das Unrundschleifen gedacht und den gesamten Maschinenbau darauf abgestimmt. Dabei galt es, unsere Erfahrungen mit horizontalen Unrundschleifmaschinen auf die vertikale Bauweise zu übertragen. Das heißt, die Achsen und Achsantriebe mussten so ausgelegt werden, dass sie sich für das Unrundschleifen eignen. Bei der Auswahl der am besten geeigneten Komponenten haben wir uns deshalb im Vorfeld relativ viele Gedanken gemacht.“

Und weiter: „Weil die wesentlichen maschinenbautechnischen Anforderungen damit bereits gelöst waren, konzentrierte sich der technische Anspruch für das Synchro-Unrund-Stützschleifen auf die Software. Hier musste vornehmlich die Kopplung der Achsen gelöst werden. Aber auch das war wiederum grundsätzlich nichts Neues, denn wir haben ja schon 2-Schlittenmaschinen fürs Unrundschleifen im Lieferprogramm, bei denen die beiden Schlitten auf einer Seite angeordnet sind. Bei der VTC 315 DS sind es halt zwei gegenüberliegende Schlitten. Das bedeutete für uns lediglich eine Anpassung an das Verfahren, bei dem die Stütze so eingebunden ist, dass das Ganze synchron abläuft. Das Verfahren hat auf Anhieb bereits an der ersten geschliffenen Welle sehr gut funktioniert, es musste nur noch ein wenig optimiert werden, wie die beiden Achsen zueinander fahren.“

Antriebe und Steuerung der vertikalen Unrundschleifmaschine kommen von Siemens, die komplette Schleifsoftware hat Emag selbst entwickelt. Dazu Dr. Hegener: „Beim Schleifen bieten wir derzeit im Standard ausschließlich Siemens an, denn in dem Kundensegment, in dem wir uns bewegen, kommen bei den Schleifaufgaben teilweise sehr komplexe Verfahren zum Einsatz, die viele schleifspezifische Anpassungen erforderlich machen.

Die bisherigen Versuche beim Synchro-Unrundstützschleifen von Nockenwellen zeigen, dass sich bei diesem Verfahren nicht nur ein enormes Ratiopotenzial erzielen lässt, auch das Schleifergebnis wird durch die Überdeckung der Schleifkörner besser als beim konventionellen Unrundschleifen. Sowohl die Rautiefe als auch die Facettenbildung wird laut Roland Schmitz durch die Überdeckung tendenziell geringer. Das gilt allerdings nicht, wenn man, was auch möglich ist, mit versetzten Scheiben gleichzeitig zwei Nocken oben und zwei Nocken unten schleift. Dann sind es die gleichen Prozesse, wie sie heute auf einer 2-Schlittenmaschine üblich sind. Auch das Schleifergebnis zeigt dann keinen Unterschied zu bisher. Außer Nocken können mit dem Synchro-Unrund-Stützschleifen natürlich auch Excenter oder beliebige Polygone vergleichbar produktiv geschliffen werden, wie dies an der gezeigten Musterwelle demonstriert wird.

Für das Be- und Entladen der vertikalen Unrundschleifmaschine gibt es bei Emag mehrere Varianten. Dabei wird die Maschine grundsätzlich von der Seite beladen, um die Zugänglichkeit von vorn nicht einzuschränken. Leichtere Werkstücke werden aus einem Werkzeugmagazin mit einem Shuttle mittels Doppelgreifer seitlich in den Arbeitsraum der Maschine eingewechselt. Das ist bei den kurzen Taktzeiten das schnellste System. Für schwere Nockenwellen kann je nach Fertigungsumgebung und Ausgestaltung einer Fertigungslinie – beispielsweise bei Mehrmaschinen-Bedienung – allerdings auch ein Robotersystem Sinn machen.

Weniger Fertigungsschritte

Dr. Hegener: „Die Prozesskette bei der Nockenwelle ist wesentlich kürzer als bei der Kurbelwelle. Zur eigentlichen Nockenbearbeitung kommt nur die Lagerbearbeitung und gelegentlich die Bearbeitung eines Endstücks hinzu. Es sind also wesentlich weniger Fertigungsschritte erforderlich. Die Nockenform kann daher bei 4-Zylinder Nockenwellen mit Doppelscheiben bearbeitet werden. Deshalb erwarten wir beim Synchro-Unrund-Stützschleifen solcher Werkstücke wesentlich schnellere Entscheidungen für dieses hochproduktive Verfahren. Nockenwellen werden heute vielfach von Zulieferunternehmen produziert. Die stehen unter enorm hohem Kostendruck und sind von daher risikofreudiger, was Prozessinnovationen anbelangt, die hohes Ratiopotenzial versprechen. Wenn ich da einem Kunden zeigen kann, dass wir auf der VTC 315 DS Nocken und Lager in einer Aufspannung schleifen können, wird das Verfahren schneller akzeptabel. Deshalb denke ich, dass sich das Synchro-Unrund-Stützschleifen der Nockenwelle auf dem Markt noch schneller etablieren wird als das Synchro-Stützschleifen der Kurbelwelle.“W

www.emag.de