Optimale Lösung

Hohe Genauigkeit durch beherrschte Dynamik beim Schruppen und Schlichten

In nur neun Monaten von der Idee bis zum Prototyp – so der Werdegang einer neuen Fahrständer-Fräsmaschine von SHW. Bei der Entwicklung der Bearbeitungseinheit PowerSpeed 5 ist der Maschinenbauer aus Aalen-Wasser-alfingen einen gänzlich neuen Weg gegangen. Zugrunde gelegt wurde dabei ein bisher im Werkzeugmaschinenbau unbekannter ganzheitlicher Ansatz zur optimalen Gestaltung der Maschine im Hinblick auf die statischen und dynamischen Eigenschaften für eine schnelle, genaue und leistungsstarke Bearbeitung.

Höchste Anforderungen an Schnelligkeit, Steifigkeit und Genauigkeit sind heute von einer zukunftsweisenden Maschine für die Großteilefertigung zu erfüllen. Hinzu kommen Forderungen nach flexiblen Einsatzmöglichkeiten und hoher Wirtschaftlichkeit, beides für kleinere mittelständische Fertigungsbetriebe überlebensnotwendige Erfordernisse.
 Eine weitere Anforderung an eine moderne Fräsmaschine für die Bearbeitung großer Werkstücke resultiert aus Änderungen der Bear-
beitungsphilosophie. Früher wurde mit großen Messerköpfen bis zu
160 mm Durchmesser durch einen schweren Schnitt viel Spanvolumen produziert. Hierzu waren schwere Maschinen mit hohen Spindel-
leistungen und großen Drehmomenten erforderlich.
 Heute wird angestrebt, große Zeitspanvolumen durch kleinere Werkzeuge mit höheren Schnittgeschwindigkeiten und Vorschüben bis zu 3000 mm/min zu erzeugen. Diese Entwicklung wird durch die zu bearbeitenden Werkstoffe und die insbesondere im Werkzeug- und Formenbau notwendigen Freiformflächen begünstigt. Um größere Zeitspanvolumen mit kleineren Werkzeugen im Durchmesser von 32 bis 64 mm zu erreichen, ist aber eine schnellere Bearbeitungseinheit mit beherrschter Dynamik notwendig.
 Neben der Forderung nach mehr Dynamik für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung wollen insbesondere kleinere mittelständische Betriebe des Modell-, Formen- und Werkzeugbaus auf einer solchen Maschine auch die notwendigen Schlichtarbeiten am vorbearbeiteten Werkstück in einer Aufspannung durchführen. Für den Anwender hat das den Vorteil, dass ein Rüstvorgang eingespart wird und außerdem die steigenden Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit leichter einzuhalten sind. Bei der Beschaffung einer neuen Bearbeitungseinheit fällt für ihn nur einmal eine Investition in der gleichen Größenordnung einer bisherigen Einzelmaschine an.
 Hohe Leistungsfähigkeit bedingt normalerweise eine schwere Maschinenkonstruktion. Dagegen setzt große Schnelligkeit, gepaart mit hohem Beschleunigungsvermögen, eine Leichtbauweise der bewegten Maschinenbaugruppen voraus. Um beiden Bedingungen gleichzeitig gerecht zu werden, hat sich die SHW als innovatives mittelständisches Unternehmen dieser Aufgabe gestellt. In Zusammenarbeit mit einem Institut der Universität Stuttgart und einer Stuttgarter Ingenieurgesellschaft für Strukturmechanik hat SHW ein neues Maschinenkonzept mit dynamischen Bearbeitungsabläufen entwickelt.
 Zielvorgabe für die neue Fahrständermaschine war, einerseits eine für die Schwerzerspanung notwendige Fräsleistung von über 1000 cm3/min bei Einsatz des Orthogonalfräskopfes mit 32 kW Spindelleistung und einem Spindeldrehmoment von rund 1000 Nm an der Schneide verfügbar zu haben. Außerdem sollte die Maschine für Schlichtarbeiten mit Spindel-drehzahlen von 30 000 min-1 und einem Beschleu-nigungsvermögen von mindestens 3,5 m/s2 ausgestattet sein und dabei eine Bearbeitungsgenauigkeit weit unter 0,01 mm erbringen.
 Zur Ermittlung von Ausgangswerten für die notwendige strukturelle Neugestaltung der neuen Maschine wurden an bestehenden Fahrständermaschinen Messungen unter Betriebsbedingungen durchgeführt. Die Messergebnisse wurden zusammengefasst und daraus ein  Ø
×   spezielles Struktur-Analyse-Modell generiert, mit dem sich das Antriebs- und Regelverhalten des Antriebs abbilden und eine Strukturanalyse durchführen ließ. Damit die Analyse unter ganzheitlichen Gesichtspunkten vorgenommen werden konnte, wurden nicht nur alle mechanischen Bauteile in das Gesamtmodell einbezogen, sondern auch Modelle für das Dämpfungs- und Regelverhalten der Führungselemente, das Verhalten der Kugelrollspindeln und Riemenantriebe sowie für das Verhalten aller dynamischen Schnittstellen aufgenommen. Durch diesen integralen Ansatz war es möglich, eine Fahrständermaschine vollständig unter Betriebsbedingungen abzubilden, so dass beim virtuellen Fräsen die Belastungen und das Verhalten der Bauteile simuliert und die Schwachstellen aufgezeigt werden konnten.
 Damit ergaben sich Anhaltspunkte für eine Modifizierung oder Neugestaltung der entsprechenden Bauteile, bevor ein Prototyp gebaut wurde. Denn um die aus der Forderung nach großer Genauigkeit und hoher Dynamik gegenläufigen Anforderungen an die Maschinenbauteile in Einklang zu bringen, musste die statische Steifigkeit ohne Erhöhung der Masse erreicht werden. Dieses Ziel wurde in einem mehrstufigen Optimierungsprozess durch strukturelle Formänderungen der Bauteile, durch Änderung der Antriebssysteme, durch Einsatz neuer Werkstoffe und durch höhere Fertigungsgenauigkeit der Bauteile gewonnen.
 Der prinzipielle Aufbau der neuen Fahrständermaschine PowerSpeed 5 orientiert sich an der bisherigen Fahrständermaschine UF5, so dass die Anordnung der Achsen unverändert geblieben ist. Allerdings wurden die bisherigen Flachführungen in senkrechter Y- und waagrechter Z-Achse durch Präzisions-Linearführungen ersetzt. Der Antrieb der Z-Achse erfolgt durch einen auf der Spindel sitzenden Motor. Die Y-Achse ist mit dem bewährten DuoDrive-Antrieb mit zwei Kugelrollspindeln ausgestattet. Dadurch wird erreicht, dass der Spindelstock in jeder Position des Fahrwegs in waagrechter Lage bleibt, ein Abkippen des Spindelstocks unterbleibt. Der DuoDrive-Antrieb wurde an die Erfordernisse einer hohen dynamischen Steifigkeit der Führungen und Antriebe durch einen Führungswagen mit Umgriff angepasst. Dies stellt zwar erhöhte Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Bauteile, bewirkt aber eine breitere Führung, die besonders große Torsionskräfte besser aufnehmen kann. Die Führungswagen lassen sich dadurch hochgenau justieren.
 Für die X-Achse wurden die bewährten linearen Wälzkompaktführungen der bisherigen Fahrständermaschinen übernommen. Zur Verringerung der Anzahl Schnittstellen wurde auf den Zwischenschlitten zwischen Fahrständer und Maschinenbett verzichtet. Um die Antriebs-kräfte besser und direkter übertragen zu können, wurde für die X-Achse ein elektrisch vorgespannter Zahnstangenantrieb gewählt. Die elektrische Vorspannung lässt sich an betriebliche Notwendigkeiten anpassen und verbessert die dynamische Steifigkeit, die eine schnelle, genau arbeitende Maschine erfordert.
 Neben der hohen dynamischen Steifigkeit ist gleichzeitig eine große Strukturdämpfung der einzelnen Bauteile notwendig. Dies wurde durch die Kombination verschiedener Werkstoffe erzielt. So sind der Fräskopfkörper, der Querschieber und der Vertikalschlitten aus perlitisch-ferritischem Kugelgraphitguss hergestellt, um einmal die dämpfenden Eigenschaften des Gusswerkstoffs und zum anderen die gegenüber Grauguss höheren Festigkeitseigenschaften zur Verbesserung der Steifigkeit der Bauteile zu nutzen.
 Für den Fahrständer war maßgebend, eine möglichst hohe dynamische Steifigkeit zu erreichen. Da der hierfür maßgebliche E-Modul von Stahl um rund 30 % gegenüber Gusswerkstoffen größer ist, wurde der Fahrständerkörper in einer Stahlschweißkonstruktion ausgeführt. Das durch die Massenreduktion negativ beeinflusste Resonanzverhalten bei niedrigen
Spindeldrehzahlen wurde durch verstärkte Ausführungen der Kugelrollspindeln von Querschieber und DuoDrive-Antrieb ausgeglichen. Der bisherige hydraulische Gewichtsausgleich des Spindelstocks wurde wegen des nicht linearen Verhaltens und des verzögerten Reaktionsverhaltens bei Beschleunigung durch einen elektrischen Gewichtsausgleich ersetzt, mit dem sich über die entsprechend dimen-
sionierten Vorschubmotoren und Kugelrollspindeln ein Ausgleich der statischen und der dynamischen Kräfte erwirken lässt.
 Der Maschinenständer wurde entsprechend der Ergebnisse der Strukturanalyse neu verrippt und an die Erfordernisse der Belastungen angepasst. Dadurch wurde einerseits die Steifigkeit deutlich erhöht und andererseits die Masse reduziert. Die waagrechte Längsbewegung des Fahrständers wird über den genannten elektrisch vorgespannten Zahnstangenantrieb bewerkstelligt. Dieser Antrieb hat eine hohe Eigensteifigkeit und erlaubt eine zuverlässige Beschleunigung der großen Fahrständermasse bis zu
5,5 m/s2 und Eilgänge bis zu 30 m/min.
 Für schnelle Schlichtbearbeitungen lässt sich eine Schnelllaufspindel mit Hilfe des für 10 Sonder- oder sperrige Werkzeuge ausgestatteten
Pick-up-Systems automatisch in die Spindel einwechseln. Ebenso können
Sonderwerkzeuge wie Winkelköpfe oder übergroße Werkzeuge über die Pick-up-Station in die Spindel eingewechselt werden.
 Als Fräskopf stehen drei Varianten zur Verfügung, wobei bei allen die Energiezuführung durch den Kopf erfolgt:
³ Universal-Fräskopf UFK mit gradweiser Positionierung von 64 800
verschiedenen Bearbeitungspositionen, in der jeweils die volle Leistung des flüssigkeitsgekühlten verschleißarmen Direktantriebs auf die Schneide übertragen wird. Alle Kopfmaße werden beim Schwenken automatisch
verrechnet.
³ Horizontal-Vertikal-Kopf HVK mit innerer und äußerer Kühlschmierstoffzufuhr und einer Schwenkzeit unter 3 s.
³ Standard-Horizontal-Fräskopf HFK mit innerer und äußerer Kühlschmierstoffzufuhr in Kompaktbauweise mit guter Zugänglichkeit bei komplexen Werkstücken.
 Auch das Maschinenbett wurde neuen Gegebenheiten angepasst, um eine kostengünstigere Installation zu bewirken. Die Bauhöhe wurde um 165 mm auf 380 mm verringert. Dadurch wird die Zugänglichkeit begüns-tigt. Durch Erhöhen der Wanddicke der Verrippung von 20 auf 60 mm und eine bessere Aussteifung wurde erreicht, dass die bisherige Steifigkeit eines höheren Maschinenbettes erhalten geblieben ist. In Verbindung mit dem Wegfall des Zwischenschlittens ergibt sich eine Verringerung der gesamten Bauhöhe der Fahrständerfräsmaschine um rund 400 mm.
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