Taschenbuch der Werkzeugmaschinen
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Taschenbuch der Werkzeugmaschinen
von
Klaus J. Conrad
1. Auflage
Taschenbuch der Werkzeugmaschinen – Conrad
schnell und portofrei erhältlich bei beck-shop.de DIE FACHBUCHHANDLUNG
Hanser München 2002
Verlag C.H. Beck im Internet:
www.beck.de
ISBN 978 3 446 21859 8
Inhaltsverzeichnis: Taschenbuch der Werkzeugmaschinen – ConradCARL HANSER VERLAG
Klaus-J. Conrad
Taschenbuch der Werkzeugmaschinen
3-446-21859-9
www.hanser.de44 Bearbeitungszentren
Prof. Dipl.-Ing. Klaus-Jörg Conrad
unter Mitarbeit von Dipl.-Ing. (FH) Daniel Leiß
Bearbeitungszentren für Fräs- und Bohrbearbeitung werden nach der
Anordnung der Arbeitsspindel in horizontale Bearbeitungszentren (HBZ)
und vertikale Bearbeitungszentren VBZ eingeteilt. Wesentliche Merk-
male sind Werkzeugwechsler, Werkzeugspeicher und Werkstückwechsel-
systeme für die hauptzeitparallele Bestückung mit Werkstücken.
44.1 Horizontal-Bearbeitungszentrum
Horizontal-Bearbeitungszentren (HBZ) mit waagerecht angeordneter
Arbeitsspindel unterscheiden sich in der Bauweise durch die Zuordnung
der Achsen auf das Werkzeug oder auf das Werkstück und durch die
Gestellbauweise. HBZ haben prinzipiell größere Werkzeugspeicher als
Vertikal-Bearbeitungszentren (VBZ). Werkstückwechselsysteme sind bei
den HBZ Standard. Im Großserieneinsatz reduzieren sich dadurch die W
Produktionsnebenzeiten. Bild 44.1 zeigt schematisch eine Bauform als B
Gantry-Maschine mit allen Achsen im Werkzeug. Das Werkstück be-
findet sich auf einem Tisch, der als 4. Bewegungsachse ausgelegt ist.
S
Führung
Führungen
Arbeitsspindel mit
Werkzeug
Werkstück auf
Rundtisch
(4. Achse)
Bild 44.1: Bearbeitungszentrum mit horizontaler Arbeitsspindel
44.1.1 Bauweisen der Horizontal-Bearbeitungszentren
Die beiden gängigsten Ausführungen für HBZ der Gegenwart sind nach
DECKEL MAHO Geretsried die Fahrständer-Bauweise und die moder-522 Werkzeuge mit geometrisch bestimmten Schneiden
nere horizontale Gantry-Bauweise (Box-in-Box-Konzept). Diese überzeugt
durch:
■ höhere Dynamik der Maschine durch Minimierung der zu verfah-
renden Massen und bedeutet höhere Produktivität
■ höhere Steifigkeit
■ höhere Bearbeitungsgenauigkeit
■ längere Lebensdauer
Die Grundkonstruktion der Fahrständermaschine sieht die Bewegung
des gesamten Ständers bei einer Positionierung in der X-Achse vor. Dies
bedeutet das Beschleunigen und Abbremsen einer enormen Masse und
geht in letzter Konsequenz auf die Maschinendynamik und die Lebens-
dauer der betroffenen Komponenten. Bild 44.2 zeigt in einer Gegenüber-
stellung beide Bauweisen.
Bild 44.2: Fahrständer-Bauweise der DMC 80H hi-dyn (linkes Bild) und Gantry-Bauweise der
DMC 63 H (rechtes Bild) (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)
Im Gegensatz dazu steht der Grundrahmen beim Gantry-Konzept fest.
Darauf verfährt ein kleiner Rahmen im X-Bereich. Innerhalb dieses
Rahmens bewegt sich der Vertikalschlitten oder Spindelträger, der in
Y-Richtung verfährt und gleichzeitig in sich die eigentliche Spindel trägt.
Die Spindel ist so gelagert, dass die Bewegung in der Z-Achse realisiert
wird.
44.1.2 Ausstattung der Maschinen
Die Ausstattung der Maschinen umfasst die im Arbeitsraum vorhandenen
Elemente und Einrichtungen zur Durchführung der Fertigungsaufgaben.44 Bearbeitungszentren 523
Das Maschinenkonzept ist ausgelegt für:
■ produktive Serienzerspanung
■ Minimierung der Nebenzeiten durch
– geringe Span-zu-Span-Zeit
– hohe Achsbeschleunigungen und Verfahrgeschwindigkeiten
■ hohe Produktivität und Flexibilität durch:
– diverse Palettenwechselsysteme
– Werkzeugmanagement
– hohe Speicherkapazität des Werkzeugmagazins
– 4. Achse (als NC- oder Schalttisch) zur optimalen Mehrseiten-
bearbeitung
■ gleichbleibende Genauigkeit durch:
– Temperaturkompensationssysteme
– FEM-optimierte Maschinenkomponenten (z. B. steife Maschinen-
bettstrukturen) W
Zu den Einsatzgebieten gehören Fertigungsaufgaben in der Mittel- und B
Großserienfertigung in den Branchen Flugzeugbau, Automobilindustrie, S
Pneumatik- und Medizintechnik und in deren Zulieferunternehmen.
Zur Standardausstattung gehören ein NC-Rundtisch mit formschlüssiger
Palettenaufnahme und ein schneller Drehpalettenwechsler. Die Anzugs-
kraft der Palette auf die Aufnahme ist sehr groß und wirkt auf jeden Auf-
nahmekonus, der pro Palette viermal vorhanden ist. Bild 44.3 zeigt eine
Ausführung.
Bild 44.3: Palettenwechsler (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)524 Werkzeuge mit geometrisch bestimmten Schneiden
44.1.3 Baugruppen
Die Ausführung als Horizontal-Bearbeitungszentrum erfüllt durch die
Gantry-Bauweise mit stationärem Tisch die Anforderungen an Steifig-
keit, Genauigkeit und Dynamik. Die Pinole für den Z-Verfahrweg ist in
einem geschlossenen Vertikalschlitten angeordnet, der durch drei Linear-
führungen die Bearbeitungskräfte aufnimmt. Der Arbeitsraum ist durch
die Eintrittsöffnung im Gestell gut zugänglich. Bild 44.4 zeigt eine kon-
struktive Ausführung dieser Box-in-Box-Bauweise mit den wichtigsten
Baugruppen.
Bild 44.4: Baugruppen Horizontal-Bearbeitungszentrum DMC 63 H (DECKEL MAHO
Geretsried GmbH)
44.1.4 Optionen zur Grundmaschine
Aufgrund des hauptsächlichen Einsatzes der HBZ in der Serienproduk-
tion ist bei diesen Maschinen ein umfangreiches Optionenpaket erforder-
lich, das sich im Vergleich zu den VBZ in folgenden Teilsystemen der
Maschine gravierend unterscheidet:
■ Peripheriegeräte (Palettenwechselsysteme, Palettenspeicher)
■ wirtschaftliche Werkzeugwechsel-Konzepte mit stufenweise ausbau-
barer Anzahl an Werkzeugen (bis zu 180 Werkzeugen als
Standardoption)44 Bearbeitungszentren 525
Bild 44.5 zeigt ein Palettenspeichersystem in Linearbauweise.
Bild 44.5: Palettenspeichersystem LS7 (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)
44.1.5 Fertigungsbeispiel
Typischer Anwendungsbereich ist die Zylinderkopfbearbeitung in Bild 44.6.
W
B
S
Bild 44.6: Zylinderkopf auf DMC 80 H hi-dyn (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)
Tabelle 44.1: Fertigungsdaten Zylinderkopf (DECKEL, MAHO Geretsried GmbH)
Werkstück 4 zyl. Diesel Zylinderkopf Bemerkung:
Fräszeit und Bohrzeit 46 min pro Teil 2 Aufspannungen in mech. Vorrichtungen
Nockenwellenbohrung
Werkzeuge 50
(450 mm) auf Umschlag
Werkstoff GG 25 mit MAPAL Werkzeugen
Produktion 3000 Stück/Jahr 3-Schicht-Betrieb526 Werkzeuge mit geometrisch bestimmten Schneiden
44.2 Vertikal-Bearbeitungszentrum
Vertikal-Bearbeitungszentren (VBZ) haben als neues Konzept die oben
liegende Gantry-Bauweise mit allen 3 Bewegungsachsen im Werkzeug.
Die Führungen befinden sich auf stabilen Seitenständern. Der typische
Antrieb auf beiden Seiten des Querträgers als Y-Achsenantrieb ist vor-
handen. Das Werkstück wird auf einem Starrtisch aufgespannt. Als
Grundkörper wird ein starres Bett in Kastenbauweise eingesetzt, auf
dem die Ständer und der Tisch befestigt werden. Bild 44.7 enthält eine
schematische Darstellung dieser Bauweise.
FFlachführung
la ch fü h r un g
GGantry
a n try
AArbeitsspindel
rb e itssp in demit
l
mWerkzeug
it W e rk ze u g
WWerkstück
e rkstüc kauf
a uf
SStarrtisch
ta rrtisch
Bild 44.7: Bearbeitungszentrum mit vertikaler Arbeitsspindel
44.2.1 Bauweisen der Vertikal-Bearbeitungszentren
Bei den Vertikal-Bearbeitungszentren haben sich in der Vergangenheit die
Baukonzepte Konsol-, Kreuztisch- und Portal-Bauweise bewährt.
Im Zuge der HSC-Frästechnologie und den daraus resultierenden höhe-
ren Beschleunigungen und Eilgängen hat sich in den letzten Jahren
immer stärker die sog. Gantry-Bauweise im VBZ-Bereich durchgesetzt.
Diese überzeugt durch folgende Verbesserungen:
■ Minimierung der zu verfahrenden Massen
■ Effektivere Bearbeitung von großen Werkstücken (mit hoher Masse)
durch feststehenden Maschinentisch und Bewegungen der Werk-
zeuge in den Maschinenachsen
■ Optimale Abstimmung des Positionierprozesses, da alle zu verfah-
renden Massen bekannt sind und dadurch eine optimale Abstim-
mung der Maschinenparameter möglich ist44 Bearbeitungszentren 527 Entwicklungstrends zeigen, dass zukünftig immer stärker die Anwen- dung von Linearantrieben im Werkzeugmaschinenbau Einzug halten wird. Diese birgt beim Einsatz in Verbindung mit der Gantry-Bauweise noch folgende zusätzliche Vorteile im Vergleich zu den konventionellen Kugel- rollspindeln: ■ schnellere Verfahrgeschwindigkeiten und Eilgänge ■ höhere Beschleunigungen ■ bessere Genauigkeit ■ geringere Reibung ■ niedrigerer Komponentenverschleiß ■ höhere Lebensdauer Nachteile sind jedoch auch vorhanden: ■ höherer Stromverbrauch ■ höhere notwendige Anschlussleistung ■ niedrigere Vorschubkraft W Linearantriebe haben gegenüber rotatorischen Vorschubantrieben ca. B 2,5fach höhere Eilgänge, Beschleunigungen und Vorschubgeschwindig- keiten. Die Nennleistung nimmt um das 1,5fache zu, während die Vor- S schubkraft ca. 20 % abnimmt. Beim HSC-Fräsen wird mit höheren Vor- schüben bei geringeren Spantiefen gearbeitet, so dass eine niedrigere Vorschubkraft nicht so wesentlich ist wie beim konventionellen Fräsen. Bild 44.8: Vertikal-Bearbeitungszentrum DMC 85 V linear mit Drehtischeinrichtung (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)
528 Werkzeuge mit geometrisch bestimmten Schneiden
44.2.2 Ausstattung der Maschinen
Die Ausstattung der Maschinen umfasst die im Arbeitsraum vorhande-
nen Elemente und Einrichtungen zur Durchführung der Fertigungsauf-
gaben. Diese werden aus einem Baukasten entnommen und entsprechen
den bereits bei den HBZ beschriebenen Ausstattungen.
Neben den allgemeinen vertikalen Anwendungsbereichen ist eines der
Haupteinsatzgebiete der VBZ der Werkzeug- und Formenbau. Dieser
Aspekt stellt weitere zusätzliche Anforderungen an das Gesamtsystem
und im Speziellen an die CNC-Steuerung der VBZ:
■ hohe Konturtreue der CNC-Steuerung
■ hohe Datenübertragungsraten vom CAM-System zur CNC
(z. B. durch Ethernet-Schnittstelle)
■ kurze Blockzykluszeit zur schnellen Verarbeitung der Programm-
datensätze
■ Look-ahead-Funktion zur Vorausberechnung der Datensätze und
automatische Anpassung der möglichen Vorschubgeschwindigkeit
Bild 44.9 zeigt einen Pick-up-Werkzeugwechsler als Beispiel für eine Aus-
stattungskomponente.
Bild 44.9: Werkzeugwechsler im Arbeitsraum (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)44 Bearbeitungszentren 529
44.2.3 Baugruppen
Die Grundbaugruppen der VBZ sind identisch mit denen der bereits
beschriebenen Maschinenarten für Fräs- und Bohrbearbeitung. Das
folgende Bild 44.10 enthält eine Ausführung der DMC 85 V linear ohne
Verkleidungen mit Kennzeichnung der wichtigsten Baugruppen. Der
Querschlitten enthält aufgesetzte Linearantriebe.
Querschlitten
Spindel
Regalmagazin
Bedienpult W
B
S
Maschinenbett
Drehtisch
Bild 44.10: Baugruppen Vertikal-Bearbeitungszentrum DMC 85 V linear (DECKEL
MAHO Geretsried GmbH)
44.2.4 Optionen zur Grundmaschine
Für Vertikal-Bearbeitungszentren werden, entsprechend den Anforde-
rungen in den Einsatzbereichen, folgende Optionen angeboten:
■ erhöhte Spindeldrehzahl (HSC-Frästechnologie)
■ Drehtischeinrichtungen (Klein- und Mittelserienproduktion)
■ Direkte Wegmesssysteme (Bearbeitungen mit erhöhter Genauigkeit,
speziell im Werkzeug- und Formenbau)
■ innere Kühlmittelzuführanlagen
■ 4. Achsen (NC-Rundtische) für die 4-Seitenbearbeitung von kubi-
schen Teilen530 Werkzeuge mit geometrisch bestimmten Schneiden
■ Absauganlagen für die Elektrodenfertigung (Grafitbearbeitung)
und die Produktion von Kunststoffteilen (z. B. Modellerzeugung)
■ Blaslufteinrichtung an der Spindel (bei Trockenbearbeitung)
Diese Ausbaustufen sind der Grundstock im VBZ-Bereich. Ihr Einsatz
ist abhängig vom Anwendungsbereich. Die universellen Einsatzmöglich-
keiten dieser Maschinenbauart innerhalb der spanenden Fertigung sind
damit gegeben.
Bild 44.11 zeigt zwei Tischausführungen im Vergleich.
Bild 44.11: Einsatzspezifische Starrtisch- und Drehtischeinrichtung für DMC 65 V
(DECKEL MAHO Geretsried GmbH)
44.2.5 Fertigungsbeispiel
Die Bearbeitung eines Integralteils ist in Bild 44.12 dargestellt. Die Ferti-
gungsdaten enthält Tabelle 44.2.
Bild 44.12: Integralteil auf DMC 85V linear (DECKEL MAHO Geretsried GmbH)44 Bearbeitungszentren 531
Tabelle 44.2: Fertigungsdaten Integralteil
(DECKEL, MAHO Geretsried GmbH)
Werkstück Integralteil
Bearbeitung Fräsen (vertikal)
Fräszeit 20 min
Werkzeuge 6
Werkstoff Al Si 9
Quellen und weiterführende Literatur
Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 1: Maschinenarten und An-
wendungsbereiche. 5. Auflage. Berlin: Springer Verlag, 1998
Weinert, K. (Hrsg.): Spanende Fertigung. 3. Auflage. Essen: Vulkan Verlag, 2001
Boetz, V.: Fertigungspraxis – CNC Bearbeitungszentren. Auswahl, Wirtschaft-
lichkeitn Sonderausrüstung. Gräfeling/München: Resch Verlag, 1989
Gronies, M.: Hochdynamisch in die Horizontale. WB 133 (2000) 1 und 2, S. 64–66
W
B
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