Große Vielfalt an Leistungsvarianten

Hamuel beschäftigt sich seit den 90er Jahren sehr intensiv mit der 5-Achs-Simultanbearbeitung von Freiformflächen und entwickelte in 1998 mit der HSTM Baureihe eine Maschine, die in den Bereichen Mechanik, Achsen, Steuerung und Software optimal für die 5-Achs-Simultanbearbeitung abgestimmt ist. Mit der Baureihe XL bekommt dieser Maschinentyp nun eine Erweiterung für größere Bearbeitungsbreiten und -längen. Die Maschinen zeichnen sich durch einen zu bearbeitenden Umlaufdurchmesser von 800 mm und einer maximalen Werkstücklänge von über 2.500 mm aus. Die X-Achse ist sehr steif aufgebaut und bildet die Grundlage für die beiden Rotationsachsen A und C, die entweder mit Getriebe oder mit direkt angetriebenen Torque-Motoren ausgestattet sein können. Dadurch ergibt sich eine sehr große Vielfalt an Leistungsvarianten, die genau auf die Ansprüche des Kunden angepasst werden können. Wichtig ist auch, dass nicht alle Maschinenachsen aufeinander aufbauen, sondern in Werkzeug- und Werkstückachsen getrennt sind. Dadurch kann die Anzahl der nachgiebigen Elemente im Kraftfluss der Maschine positiv beeinflusst werden. Es handelt sich dabei natürlich nicht um große Elastizitäten, aber Deformationen in Tausendstel-Millimeter Bereich können bereits am Werkstück sichtbar sein und die Geometrie negativ beeinflussen. Deshalb wurden bei den XL Maschinen die Achsen in drei Werkzeug- und zwei Werkstück-Achsen getrennt, welches der Genauigkeit am Werkstück zugute kommt.

Bis zu 50 Prozent weniger Bearbeitungszeit

Ein Werkstück, bei dem sich die Qualität der 5-Achs-Bearbeitung sehr gut darstellen lässt, ist die Bearbeitung einer Turbinenschaufel. Dabei ist erwiesen, dass eine 5-Achs-Bearbeitung die Bearbeitung im Vergleich zur 4-Achs-Bearbeitung die Bearbeitungszeit um bis zu 50 Prozent senkt. Außerdem kommt bei diesem Werkstück zu der anspruchsvollen Freiformgeometrie noch ein schwer zu zerspanendes Werkstückmaterial. Die XL Maschinenbaureihe ist durch die großzügig dimensionierten Verfahrwege in der Lage, auch die aktuell größten Schaufeln im Turbinenschaufelbereich zu bearbeiten. Die Maschine wurde zur Fertigung großer Turbinenschaufeln entwickelt, da immer größere Kraftwerksanlagen geplant und gebaut werden.

Nach ausgiebigen Tests – dazu wurden Werkstücke mit mehr als 600 kg Rohteilgewicht gefertigt – sind diese Maschinen bereits ausgeliefert und fertigen Turbinenschaufeln aus Schmiederohlingen mit Fertigteilgewichten von mehr als 100 kg. Weiterhin wurde bei der Konstruktion insbesondere auf die hohe Verfügbarkeit der Maschine hin optimiert. Das Konstruktionskonzept beruht auf sehr zuverlässigen Maschinenkomponenten und verlässlicher Technik, die eine maximale Einsatzzeit der Maschine gerade im 3-Schicht-Betrieb sicherstellt.

Die neue HSTM XL-Linie verfügt, wie bereits bei der bewährten Standardserie, über ein aktives Werkzeugmanagement. Jedes Werkzeug ist mit einem Codeträger versehen, über den es eindeutig identifiziert werden kann. Außerdem lassen sich auf diesem Chip Korrekturdaten speichern, die in die Steuerung übergeben werden. Ein Standzeitmanagement sorgt dafür, dass die Werkzeuge nur so lange im Einsatz sind, wie es einem hochwertigen Fertigungsergebnis zuträglich ist. Das integrierte Tellermagazin bietet standardmäßig 24 Werkzeugplätze und kann optional auf bis zu 36 erweitert werden. Ein weiteres Zusatzsystem überwacht die Leistungsaufnahme der Spindel und regelt dementsprechend den Vorschub. Neben dem Erkennen eines Werkzeugbruchs lassen sich mit dieser Software, die in der CNC-Steuerung integriert ist, auch die Prozesse verbessern. Die Nutzung ermöglicht eine hohe Betriebssicherheit und damit weitere Produktivitätssteigerungen.

Standardschnittstelle

Um die hohe geforderte Präzision zu gewährleisten, wird HSK63A als Standardschnittstelle für Werkzeuge verwendet. Auch für die Werkstückvorrichtungen in die Rundachsen, A- und C-Achse, wird eine HSK-Schnittstelle eingesetzt. Die HSK125B bietet hohe Spannmomente und durch die äußeren Mitnehmer eine gut dimensionierte Übertragung der Drehmomente. Eine genügend große Plananlage mit 200 mm Durchmesser und zusätzlichen Lochkreisen mit Gewinden bieten weiterhin genügend Freiraum um kundenspezifische Spannungen zu realisieren.

Die Steuerung muss auf 5-Achs-Simultanbearbeitung spezialisiert und ausgelegt sein und dafür zahlreiche Zyklen und Funktionen zur Verfügung stellen. Auf diesen Maschinen werden in erster Linie Turbinenschaufeln bearbeitet. Diese Bauteile haben komplexe freigeformte Schaufelflächen und Geometrien im Übergangsbereich zu den Fuß- und Kopfpartien. Um diese Formen herzustellen, sind leistungsfähige Steuerungen und dynamische Antriebe von besonderer Bedeutung.

Die CNC-Steuerung ist eine der wichtigsten Komponenten im gesamten System. Um die komplexen Oberflächen in bester Qualität zu fertigen, sind im NC-Programm extrem hohe Punktdichten notwendig. Die Punktabstände betragen häufig nur wenige hundertstel Millimeter. In der Vergangenheit wurden solche Flächen mit Kugelfräsern hergestellt, um die Bewegungen der Maschine möglichst zu minimieren. Das ging auf Kosten der Bearbeitungsgeschwindigkeit. Fürs High-Speed-Fräsen werden heute torische Werkzeuge eingesetzt, also Schaftfräser mit Eckradien, die höhere Zustellungen ermöglichen. Dafür müssen sich alle fünf Achsen hochdynamisch bewegen. Die erforderliche Punktdichte setzt eine entsprechend hohe und schnelle Abarbeitungszeit voraus, weshalb kurze Block-Zykluszeiten und die Look-ahead-Funktion besonders wichtig sind. Es gibt nur wenige Steuerungen, die in der Lage sind, die Antriebsinformation für alle fünf Achsen in kürzester Zeit zur Verfügung zu stellen.

Gerade für die Turbinenschaufelbearbeitung ist es notwendig, dass die Werkzeuge immer ihre programmierte Bahngeschwindigkeit einhalten. Die Geschwindigkeit an der Werkzeugspitze, dort wo zerspant wird, muss möglichst konstant gehalten werden. Die programmierte Bewegung am Werkstück weicht von der realen Bewegung der Achsen entscheidend ab. So kann eine 5-achsige Bewegung am Werkstück von wenigen 100stel Millimetern am Werkstück durchaus eine tausendfach größere Bewegung der Maschine bedingen. Das kann nur mit speziellen 5-Achs-Funktionen wie zum Beispiel der Tool Center Point-Programmierung realisiert werden. TCP gibt der Steuerung die Möglichkeit, die Position der Werkzeugspitze im Maschinenraum in Relation zur Fräsbahn am Werkstück zu erkennen. Das ist eine wichtige Voraussetzung, um den relativen Fräsvorschub und damit die optimale Achsgeschwindigkeiten zu errechnen. Weitere Funktionen zur Glättung der Richtungsänderungen und der Fräsbahn in Verbindung mit den dynamischen Antrieben stellen sicher, dass die Maschine die optimale Bearbeitungsgeschwindigkeit erreicht. Dadurch werden höhere Standwege, kürzere Bearbeitungszeiten und höhere Oberflächengüten erzeugt.

Um nun die Maschinenfähigkeiten optimal ausnutzen zu können, muss das CAD-CAM System sowohl die Maschinenmöglichkeiten als auch die Komplexität der 5-Achs Bearbeitung beherrschen. Durch ein Plug-In für verschiedene Standard-CAD-CAM Systeme stellt Hamuel gerade für die Turbinenschaufelherstellung ein System zur Verfügung, das eine Zusatzfunktionalität für die verbesserte Programmerstellung für die Turbinenschaufelbearbeitung auf Hamuel Maschinen bereitstellt.

Gerade komplexe Freiformflächen können sehr effizient mit einer 5-Achs-Simultanbearbeitung hergestellt werden. Dies verlangt allerdings eine komplett geschlossene Prozesskette vom CAD-CAM-System über die Maschine bis zur Steuerung. Nur wenn diese Teile Hand in Hand funktionieren wird gewährleistet, dass ein wirtschaftliches und qualitativ hochwertiges Produkt entsteht.