Bohr- und Fräszentrum übernimmt Finishbearbeitung von Großgehäusen

Die Herstellung von Getrieben für Windkraftanlagen und für die Schwerindustrie stellt an die Unternehmen große fertigungstechnische Herausforderungen. Einerseits handelt es sich um sehr große Bauteile mit entsprechend hohen Gewichten, andererseits sind höchste Genauigkeiten erforderlich, die durch Toleranzgrenzen im Mikrometerbereich gekennzeichnet sind.

Bei der DMR Mechanische Werkstätten kommt zur Finishbearbeitung von Großgetriebegehäusen ein Bohr- und Fräszentrum KCR 150/1 von Union Werkzeugmaschinen zum Einsatz, das individuell aus Modulen zusammengestellt wurde. In der Ausschreibung gefordert war eine Präzisionsbearbeitung der bis zu 20 t schweren Werkstücke sowie die Einhaltung der Lieferzeit. Zudem waren die Minimierung der Nebenzeiten sowie eine zuverlässige Fahrweise gefordert, die eine störungsfreie Arbeit in der sogenannten rollenden Woche ermöglicht.

Größtes benötigtes Werkstück diente als Maßstab

Die Eckwerte für die Konstruktion und den Bau des Bohr- und Fräszentrums setzte das größte Werkstück, das die DMR verarbeitet. Dabei handelt es sich um Gehäuse für Schwerindustrie-Getriebe. Der Maschinentisch trägt dabei ein zu bearbeitendes Gehäuse für eine Horizontalgesteinsmühle. Im Prinzip baute Union um ein solches Werkstück herum ein Bearbeitungszentrum, das aus einer Vielzahl von Modulen besteht, aber zur Realisierung der hohen Genauigkeits- und Produktivitätsanforderungen mit zusätzlichen Sonderoptionen ausgestattet wurde.

Zunächst wurde festgelegt, dass als Konstruktionsgrundlage eine Kreuzbettmaschine KCR 150/1 mit einem Tragbalken, der das in der Spindel eingespannte Werkzeug sicher und exakt zur Wirkstelle vorschiebt, verwendet werden sollte. Auf die X-Achse wurden zwei Maschinentische der Größe 2000 mm × 3000 mm gesetzt.

Die Gehäuse für die Horizontalgesteinsmühlen setzen sich aus vier Einzelteilen zusammen: der verbindenden Brücke, den Unter- und Oberteilen sowie dem Deckel. Ein solcher Getriebekasten wiegt etwa 20 t, ist 2 m breit und tief sowie 3,50 m hoch.

Alle vier Teile werden aus zugelieferten Graugussteilen auf insgesamt zwei unterschiedlichen Maschinen vorbearbeitet. Das Bohr- und Fräszentrum KCR 150/1 übernimmt die Vorbearbeitung der Brücke in drei Aufspannungen. Die Brücke verbindet das Ober- und das Unterteil. Die Finishbearbeitung erfolgt in einer Aufspannung im montierten Zustand auf dem Union-Bearbeitungszentrum.

Bohr- und Fräszentrums KCR 150/1 mit zwei pendelnden Maschinentischen ausgestattet

Zu den Besonderheiten des Bohr- und Fräszentrums KCR 150/1 gehören die Ausstattung mit zwei auf der X-Achse pendelnden Maschinentischen. Beide Tische sind drehbar gelagert und mit einem Rundmesssystem ausgestattet, das eine Zustellung bis zu einem Winkel von 0,001° ermöglicht.

Weil der Getriebekasten im montierten Zustand bearbeitet wird, erfolgt die Aufspannung ohne Spannvorrichtung direkt auf den Maschinentisch. Ohne störende Spannvorrichtung lässt sich das Großteil an vier Seiten in einer Aufspannung bearbeiten. Das spart nicht nur Zeit, es dient auch der geforderten hohen Bearbeitungsgenauigkeit.

Während sich ein Maschinentisch zur Bearbeitung des aufgespannten Werkstücks im Maschinenraum befindet, kann auf dem anderen entweder das Fertigteil abgespannt oder ein weiteres Teil aufgespannt werden. Das kann je nach Teileart mit oder ohne Spannvorrichtung erfolgen.

Besseres Werkzeughandling vergrößert die Eingriffszeit

Ein weiterer Weg, den Anteil der Werkzeugeingriffszeit zu maximieren, führt über die Optimierung des Werkzeughandlings. Bei der Finalbearbeitung der großen Getriebekästen betragen die Werkstücklaufzeiten bis zu 100 Stunden. Dafür wird im Speicher ein großer Werkzeugvorrat, zum Teil mit mehreren Schwesterwerkzeugen, benötigt. Bei Lagern und Passungen sind die Arbeiten in einem Zuge auszuführen.

Dabei muss bereits bei Beginn gewährleistet sein, dass das eingesetzte Werkzeug bis zum Abschluss der Arbeit sauber und präzise schneidet.

DMR pflegt seine Werkzeuge zentral im Bereich der Werkzeugvoreinstellung. Von dort gelangen die benötigten Werkzeuge in die Demmeler-Werkzeugarena, aus der ein Industrieroboter das Bearbeitungszentrum bedient. Die modifizierte Werkzeugarena bietet Platz für 148 Werkzeuge, die einen Durchmesser bis zu 400 mm haben, bis zu 1500 mm lang und bis zu 100 kg schwer sein dürfen. Brückenwerkzeuge dürfen einen Durchmesser bis zu 800 mm haben.

Werkzeuge können im Betrieb ausgetauscht werden

Außer durch die große Speicherkapazität zeichnen sich solche Werkzeugarenen durch die Möglichkeit aus, die Werkzeuge hauptzeitparallel austauschen zu können. Um jeglichen Kontakt des Bedieners mit dem arbeitenden Roboter auszuschließen, erfolgt der Werkzeugaustausch über eine Ein- und Auslagerschleuse. Dort lassen sich auf beiden Seiten jeweils acht Werkzeuge platzieren.

Ausgestattet mit einem Doppelgreifer, bringt der Roboter das neue Werkzeug durch eine Schleuse, die die Werkzeugarena vom Arbeitsraum trennt, direkt an die Spindel. Dort übernimmt er das auszuwechselnde Werkzeug und übergibt der Spindel das neue Werkzeug. Diesen Werkzeugtausch kann der Roboter innerhalb von etwa 5 s erledigen. Zur Minimierung der Nebenzeiten tragen Eilgänge zur Positionierung von Werkstück und Werkzeug bei, die bei dem Bearbeitungszentrum in allen Linearachsen bis 15 m/min betragen.

Moderne Lager- und Führungselemente in Linearachsen schalten Stick-Slip-Effekte aus

Zur Sicherung der Bearbeitungsgenauigkeiten im Mikrometerbereich wurde eine Reihe von konstruktiven Möglichkeiten realisiert. Zur Ausschaltung von Stick-Slip-Effekten kommen für alle Linearachsen moderne Lager- und Führungselemente zum Einsatz. Damit die Werkzeuge in der einen Aufspannung zur Finish-Bearbeitung alle Wirkstellen erreichen, wurde die 700 mm lange Arbeitsspindel auf einem 1000 mm langen Tragbalken installiert. Der Tragbalken muss während der Bearbeitung die größtmögliche Parallelität zum Maschinentisch behalten.

Zu diesem Ziel führen mehrere Wege. Zum Schutz des Tragbalkens gegen ein Abkippen beim Einsatz schwerer Werkzeuge ist dieser mit zwei hydraulisch betätigten Zugankern ausgerüstet. Außerdem ist der Tragbalken hydrostatisch gelagert, so dass auch auf diesem Weg ein zusätzliches Ausrichten möglich ist. Der als Tragbalken ausgeführte Spindelstock ist in der Y-Richtung vertikal verfahrbar. Der Antrieb erfolgt über zwei Spindeln, die separat angetrieben und jeweils von einem eigenen Messsystem kontrolliert werden. So lassen sich als dritte Maßnahme zur Steigerung der Bearbeitungsgenauigkeit Lagekorrekturen des Tagbalkens ausführen.

3D-Messtaster im Bohr- und Fräszentrums vermessen die Werkstücke

Jede Qualitätsfertigung muss auch kontrolliert werden. Das beginnt bereits mit der exakten Vermessung der aufgespannten Werkstücke. Deshalb gehören zur Ausstattung des Bohr- und Fräszentrums 3D-Messtaster, die die Signale per Funk zur Maschinensteuerung senden. Das Bearbeitungszentrum arbeitet jetzt seit einem Dreivierteljahr. Auch in der Einfahrphase gab es keinerlei Beanstandungen.

Thomas Ulrich ist Vertriebsleiter bei der Union Werkzeugmaschinen GmbH in Chemnitz.