Werkzeugmaschinen - Free Essay Example

Erklrungen 1. Hiermit erklre ich, die vorliegende Studienarbeit ohne die Hilfe Dritter nur mit den angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Alle Stellen, die den Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht worden. Diese Arbeit hat in gleicher oder hnlicher Form noch keiner Prfungsbehrde vorgelegen. 2. Folgende Einverstndniserklrung ist unabhngig vom Prfungsverfahren zur Diplomprfung (ein Exemplar verbleibt bei den Prfungsakten) und ohne Einfluss auf die Bewertung der Studienarbeit. Dies gilt insbesondere fr den Fall, dass Sie mit der Aufnahme in die Bibliothek nicht einverstanden sind [siehe Ziffer 2b]. a. Mit ist bekannt, dass ein Exemplar der Studienarbeit Bestandteil der Prfungsakte wird und bei der TU Darmstadt verbleibt [19 Abs. 7 Diplomprfungsordnung / Allgemeiner Teil (DPO/AT) vom 15. Juli 1991 (Amtsblatt 1992, S.23) in der Fassung der zweiten nderung vom 7. Februar 1994 (Amtsblatt S. 441)]. b. Ich bin damit dass die Studienarbeit in den Bibliotheksbestand der TU Darmstadt aufgenommen wird und ffentlich zugnglich gemacht wird. 3. Die TU Darmstadt bittet Sie im Interesse eines freien Informationsaustausches, ihr Urheberrecht an der Arbeit zu wissenschaftlichen Zwecken nutzen zu drfen. Sie knnen die Nutzung Ihres Urheberrechts durch die TU Darmstadt ohne Angabe von Grnden und ohne nachteilige Folgen fr die Bewertung der Arbeit verweigern. Ich bin damit dass die TU Darmstadt das Urheberrecht an meiner Studienarbeit zu wissenschaftlichen Zwecken nutzen kann. Aufgabestellung und Zielsetzung der Arbeit Im Rahmen dieser Arbeit werden der aktuellen Stand der Technik und der Forschung sowie die Trends im Bereich Werkzeugmaschinen am Beispiel Frsmaschinen angezeigt. Anschlieend soll diese Arbeit als eine Literaturliste zur Verfgung stehen, die eine Zusammenfassung ber die Trends und die Forschung im Bereich Frsmaschinen vorliegt. 1 Einleitung 1.1 Die historische Entwicklung der modernen Werkzeugmaschinen Die Geschichte der Werkzeugmaschinen begann etwa 1712, als Thomas Newcomen die erste Dampfmaschine erfand, die der Grundstein fr die Entwicklung von Werkzeugmaschinen, mit denen metallische Werkstcke bearbeitet werden konnten, war. [1] Der englische Erfinder John Wilkinson baute etwa 1775 eine Horizontalbohrmaschine fr die Bearbeitung der Innenflchen von zylindrischen Teilen und damit begann die Geschichte der modernen Werkzeugmaschinen. Henry Maudslay entwickelte etwa 1794 die erste Bettdrehmaschine. Die weitere Verbreitung der Werkzeugmaschinen wurde von Joseph Whitworth dadurch, dass er 1830 Messinstrumente erfand, mit denen man auf einen Millionstel Zoll genau messen konnte, fortgesetzt. Die Erfindung von Whitworth war deshalb so wertvoll, weil fr die sptere Massenproduktion von Gerten mit austauschbaren Teilen genaue Messverfahren unverzichtbar waren. In Europa und den USA wurden fast gleichzeitig die frhesten Versuche stattgefunden, um austauschbare Teile herzustellen. Dafr wurden in erster Linie Koordinatenfeilanlagen, mit denen man per Hand Teile mit im Wesentlichen identischen Abmessungen herstellen konnte, eingesetzt. Etwa 1798 erhielt der amerikanische Erfinder Eli Whitney einen Regierungsauftrag zur Produktion von 10000 Armeegewehren, deren Teile austauschbar sein mussten , deswegen geht Das erste tatschliche Massenproduktionsverfahren auf Whitney zurck. Im 19. Jahrhunderts konnte man mit gewhnlichen Werkzeugmaschinen wie Drehmaschinen, Stomaschinen, Hobelmaschinen, Schleifmaschinen und Sgen sowie mit Frs-, Rum- und Bohrmaschinen bereits eine relative hohe Magenauigkeit erreichen. Nach 1920 spezialisierte sich der Anwendungsbereich einzelner Werkzeugmaschinen. Von 1930 bis 1950 ist man gelungen, leistungsfhigere und stabilere Werkzeugmaschinen zu bauen, um den inzwischen verfgbaren verbesserten Schneidstoffen Rechnung zu tragen. Anfang des 20. Jahrhunderts konnte man grere Werkzeugmaschinen bauen und zudem ihre Genauigkeit erhhen. Die spezialisierten Werkzeugmaschinen haben eine sehr kostengnstige Herstellung normierter Teile ermglicht. Diese Maschinen konnten nicht auf die Produktion verschiedenartiger Teile oder auf genderte Normen umgestellt werden, sie waren wenig anpassungsfhig. Daher versuchte man Werkzeugmaschinen zu entwickeln, die uerst flexibel und genau sind und an eine Steuerung mittels Computer angepasst werden knnen. Diese Maschinen und auch komplex gestaltete Produkte kostengnstig sind inzwischen berall in Gebrauch. [13] 1.2 Allgemeines ber Werkzeugmaschinen Eine Werkzeugmaschine ist eine Arbeitsmaschine, die ein Werkzeug an einem Werkstck unter gegenseitiger bestimmter Fhrung zur Wirkung bringt. [2] Werkzeugmaschinen und den Betriebsmitteln (Werkzeuge, Vorrichtungen, Mess- und Prfmittel) ist ein Teil von den Fertigungsmitteln. Sie sind notwendig, um eine Fertigung im Bereich der Produktionstechnik aufrecht zu erhalten. Mit den Werkzeugmaschinen kann man Werkstcke aus festen Materialien (z. B. Metall) zu verschiedenen Produkten verarbeiten. Die gewnschte Form erfolgt, indem man Material vom Werkstck mit Hilfe eines auf der Maschine angebrachten Werkzeugs abgetragen (z.B. Frsen) oder es in die gewnschte Form gepresst wird. Die gegenseitige Fhrung von Werkstck und Werkzeug (Richtung in der ich frsen darf) und die Richtung, mit der beide whrend der Bearbeitung zueinander bewegt werden (Winkel wie man frsen darf) sowie die Geschwindigkeit sind die entscheidende Punkte bei der Fertigung. Werkzeugmaschinen werden zur Herstellung von Maschinen- oder Werkzeugteilen eingesetzt und gehren zu den wichtigsten Grundlagen der modernen Industrie. [13] Nach DIN 69 651/1.2/ ist eine Werkzeugmaschine definiert als: Mechanisierte und mehr oder weniger automatisierte Fertigungseinrichtung, die durch relative Bewegung zwischen Werkstck und Werkzeug eine vorgegebene Form am Werkstck oder eine Vernderung einer vorgegebenen Form an einem Werkstck erzeugt [3] 1.3 Einteilung der Werkzeugmaschinen Die Werkzeugmaschinen unterteilt man blicherweise nach: Arbeitsverfahren (siehe Abb.1) Hierbei unterscheidet man zwischen: a) Werkzeug fr die spanlose Formgebung * Hmmer * Pressen * Biegemaschinen * Scheren * Ziehmaschine b) Werkzeug fr die spannende Formgebung * Drehmaschinen * Hobelmaschinen * Frsmaschinen * Schleifmaschinen * Sgemaschinen Einsatzbreite (Universalmaschinen, Mehrzweckmaschinen, Sondermaschinen) Anwendungsfeld (Maschinen fr Einzelfertigung, Kleinserienfertigung, Massen- Fertigung) Technolgiebezogene Merkmale (z.B. weg-, kraft- und energiegebundene Um- Formmaschine Lage der Hauptspindel (horizontal, vertikal, berkopf) Bauart (z.B. Frontdrehmaschinen, Schrgbettdrehmaschinen usw.) Steuerungstechnik (manuell, konventionell, NC-Gesteuerte) Automatisierungsgrad Einbindung in den Fertigungsprozess (Einzelmaschine, Mehrmaschinensystem Transferstraen). [4] Abbildung 1 Klassifizierung von Werkzeugmaschinen nach den Fertigungsverfahren [2][3] 1.4 Allgemeines ber Frsen Frsen ist ein spannendes Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden. Die meist mehrzahnigen Werkzeuge fhren eine kreisfrmige Schnittbewegung aus. Die Schnittbewegung wird durch eine Rotation des Werkzeuges erzeugt. Die Vorschubbewegung ist senkrecht oder schrg zur Drehachse des Frsers gerichtet. Dadurch knnen beliebig geformte Werkstckflchen bis auf wenige Ausnahmen erzeugt werden. [2] Das Frsen wird mit drehenden mehrschneidigen Werkzeugen entstanden. Das Frsen ist durch eine diskontinuierliche Spanabnahme (rhythmisch wiederkehrende Spanunterbrechung und Schnittkraftschwankung) gekennzeichnet. Das Werkzeug fhrt die rotierende Hauptbewegung aus und das Werkstck fhrt regelmig die Zustell- und Vorschubbewegung aus. Dabei werden ebene und gekrmmte Flchen an Werkstcken hergestellt. Die Zerspankraft bleibt nicht gleich, weil die Schneiden nicht immer im Eingriff der Spanungsquerschnitt. Dabei mssen die einzelnen Schneiden weniger Zerspanwrme aufnehmen und die Spne knnen besser abgefhrt werden. Das hat auch den Nachteil ziemlich die Entstehung von leichter Erwrmung Abkhlung und Schwingungen, die fr Werkzeug, Werkstckoberflche und Maschine Schaden verursachen knnen. [5][13] Verschiedene Merkmale beeinflusst der Frsvorgang z.B. die Art und die Leistung der zu Verfgung stehenden Frsmaschinen. das Frswerkzeug und dessen Schnittbedingungen. das zu frsenden Werkzeug, der Stabilitt und Form des Frsens. Je nach der Art der Erzeugung ebener Flchen unterscheidet man zwischen Stirnflchen Umfangsfrsen und Stirnumfangsfrsen. 2 Frsmaschinen Durch die Frsmaschinen werden die spanende Bearbeitung mit umlaufenden, ein- oder mehrschneidigen Werkzeugen gedient. Sich fortlaufend ndernde Zerspankrfte werden nach Gre und Richtung durch die Zahneingriffverhltnisse entstanden. Frsmaschinen setzen hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen aus. Die Zerspanbedingungen, die bei der Bearbeitung eines Werkstckes anwendbar sind, werden durch das schwchste Element im Kraftfluss zwischen Werkstck, Werkzeug, Maschine und Spannvorrichtung festgelegt. hohe geometrische Genauigkeit und Spielfreiheit der Fhrungen und Vorschubantriebe sind zur Erzeugung von winkeligen, ebenen und formtreu gewlbten Schnittflchen, sowie von einer guten Widerholgenauigkeit beim Positionieren, verlangt. [14][15] Wegen der Vielfltigkeit der Bearbeitungsaufgaben haben sich bei den Frsmaschinen entsprechende Grundbauformen entwickelt. Diese Grundbauformen sind auf der Art der Bearbeitung und die Werkstckgren zusammengepasst. [4] 2.1 Frsverfahren Die Einteilung der Frsverfahren nach DIN 8589 Teil 3 ist in Abb. 2.1 Dargestellt. Abbildung 2.1 Einteilung der Frsverfahren [8] Unterscheidung nach den Frsverfahren : Planfrsen zur Erzeugung von ebenen Flchen z.B. Dichtungsflchen von Flanschen, Motor- oder Getriebegehusen, Fhrungsbahnen von Werkzeugmaschinen usw. durch eine geradlinige Vorschubbewegung. und ordnet sich in Umfangs-Planfrsen (Walzenfrser), Stirn-Planfrsen (Messerkopf), Stirn-Umfangsfrsen (Walzenstirnfrser oder Schaftfrser). (siehe Abb.2.2) [9] Stirnplanfrsen Umfangsplanfrsen Wlzfrsen zur Erzeugung von Zahnrdern oder Keilwellen. Die Frsachse ist beim Walzfrsen parallel zur bearbeiteten Flche des Werkstcks. Der Wlzfrser arbeitet nur mit den Umfangsschneiden und hat eine profilierte Zahnform. Die Belastung von Werkzeug und Maschinen ist ungleichmig wegen des ungleichmigen Spans (siehe Abb.2.3). [14] Ein Frser mit Bezugsprofil kann beim Wlzfrsen eine mit der Vorschubbewegung simultane Wlzbewegung ausfhren. Dabei wlzen Werkzeug und Werkstck in der Verzahnmaschine so miteinander wie zwei fertigverzahnte Rder in einem Getriebe.[10] Profilfrsen beim Profilfrsen Verwendet man ein Werkzeug mit werkstckgebundener Form zur Erzeugung von Fhrungen mittels Lngs-Profilfrsen mit geradliniger Vorschubbewegung des Frsers, Formprofilfrser mit beliebiger, zwei- oder dreidimensionaler Frservorschubbahn und Rund-Profilfrsen mit kreisfrmiger Vorschubbewegung des Frsers. Es bildet sich das Profil des Werkzeuges auf dem Werkstck ab (Abb.2.4). [9][10] Schraubfrsen zur Erzeugung von Spindeln, Gewinden oder Zylinderschnecken. Beim Schraubfrsen entstehen unter wendelfrmiger Vorschubbewegung schraubenfrmige Flchen am Werkstck (Abb.2.5). [10] Rundfrsen zur Erzeugung zylindrischer Flchen mittels Auen-Rundfrsen und Innen-Rundfrsen (siehe Abb.2.6). Beim Rundfrsen rotiert zustzlich zum Werkzeug auch das Werkstck Beispiele: groe Bohrungen, lange Druckwalzen. Rundfrsen gliedert sich in Umfangs-Rundfrsen(Die Werkzeugachse ist parallel zur Zylinderachse), Stirn-Rundfrsen(Die Werkzeugachse steht senkrecht zur Zylinderachse) und Stirnumfangs-Rundfrsen(Die Werkzeugachse steht senkrecht oder ist parallel zur Zylinderachse) (Abb.2.6). [9] Innen-Rundfrsen Auen-Rundfrsen Stirn-Umfangsrundfrsen Formfrsen (auch Kopierfrsen, Profilfrsen oder Gesenkfrsen genannt) werden durch Bohr-Frsbearbeitung komplizierte Formen, Kammern und gewlbte Flchen gefrst. Zur Herstellung beliebiger rumlicher Flchen mittels Freiformfrsen(durch Drehen des Handrades) (Gravieren), Nachformfrsen(durch eine Schablone), kinetische Formfrsen(durch Kurvenscheibe, Trommelkurven, Getriebe) und NC-Formfrsen(durch das NC-Programm der Steuerung) (siehe Abb.2.7). [9] Abbildung 2.7 Formfrsen [10] Schlagzahnfrsen zur Erzeugung von ebenen Flchen. Der Frser hat nur eine Schneide und kann auch bei einem Winkelfehler der Frsspindel, bei Spiel in der Frsspindel, bei wechselnden Schnittkrften, oder bei nicht exakt gleich langen Frserzhnen (Messerkopf) hohe Oberflchengten erzeugen. [16] 2.1.1 Gleichlauffrsen Der Frser fhrt die Kreisfrmige Schnittbewegung und das Werkstck die geradlinige Vorschubbewegung aus. Beim Gleichlauffrsen (Abb.2.8) sind die Richtung der Schneide des rotierenden Werkzeugs und die Richtung des Vektors der Vorschubsrichtung gleichgerichtet. Beim Gleichlauffrsen wird absolute Spielfreiheit bzw. hohe Steifigkeit der Vorschubeinheit von der Vorschubeinrichtung des Schlittens der Werkzeugmaschine erfordert. Dabei sind die erreichbaren Oberflchengten besser und der Freiflchenverschlei im Allgemeinen geringer. [17] Die Verarbeitung wird mit der grten Spandicken und damit mit ausreichender Spanungsdicke beginnen, so dass es zu einem steilen Kraftanstieg beim Eintritt in das Werkstck kommt. An das Werkzeug wird das Werkstck angezogen und auf die Tischflche gepresst. Die absolute Spielfreiheit bzw. hohe Steifigkeit der Vorschubeinheit vermeidet ein ruckartiges Einziehen des Werkstcks in das Werkzeug (Rattern). Alle modernen Bearbeitungsmaschinen mit Kugelumlaufspindeln erfllen diese Bedingung und das ist die gnstigere Bearbeitungsvariante fr moderne Schneidstoffe .Bei einigen Anwendungen, wie z.B. dem Hartfrsen, ist das Frsen im Gleichlauf sogar die einzig erfolgversprechende Bearbeitungsart. [11][17] Vorteile: lngere Werkzeugstandzeiten zu erwarten Groe Schnitttiefen mglich Nachteile: Bei konventionellen Frsern besteht die Gefahr des Einhakens 2.1.2 Gegenlauffrsen Beim Gegenlauffrsen (Abb.2.9) sind die Richtung der Schneide des rotierenden Werkzeugs und die Richtung des Vektors der Vorschubrichtung einander entgegengerichtet. Der Schnittvorgang wird mit Spanungsdicke Null(die Schneide will dem Werkstck ausweichen und drckt) beginnen. Die Schnittkraft, die dabei entsteht wirkt entgegen der Vorschubkraft. Beim Gegenlauffrsen wird eine stabile Aufspannung des Werkstcks auf den Maschinentisch erfordert, so dass ein Abheben verhindert werden knnen. [11][17] Vorteile: Beim Gegenfrsen wird das Einhaken des Frsers verhindert Ausreien des Werkstcks mglich Nachteile: krzere Werkzeugstandzeiten Fazit: In der Praxis wird Gleichlauffrsen mehr als Gegenlauffrsen bevorzugt angewendet. Ausnahmen: Bearbeitung harter Werkstckoberflchen, z.B. Gusshaut, Schmiedehaut, die beim Gegenlauffrsen von unten heraus aufgebrochen wird. Herstellung tiefer, schmaler Nuten, da die Spne beim Gegenlauffrsen leichter entfernt werden knnen. [9] 2.2 Frswerkzeuge Nach den vielseitigen Einsatzmglichkeiten der Frsverfahren ist eine Vielzahl von Werkzeugen entwickelt worden. Die Frswerkzeuge unterschieden sich im Wesentlichen durch ihren Anwendungszweck. Die Frswerkzeuge unterteilt man blicherweise nach: Dem Zweck: Nuten- , Prismen- oder Formfrsen. Dem Werkzeugaufbau: Vollfrser oder Wendeplattenfrser. Dem Mitnahme: Aufsteckfrser oder Schaftfrser. Der Anordnung der Zhne: Mantelschneiden, Stirnschneiden Der Form der Zhne: Spitzverzahnte und hinter drehte Frser Der Form des Meridians: Zylindrischer Frser, Kegelfrser, Profilfrser Dem Verlauf des Zhne: Gerade oder schraubenfrmig gerichtete Zhne.[9][14] Arten von Frswerkzeugen: Frskpfe/Eckfrser und Planfrser (Abb.2.10): Der Frskopf ist als aufsteckbarer Stirnfrser gekennzeichnet, dessen Hauptschneiden stirnseitig liegt d.h. seine Hauptaufgabe eine ebene Flche zu erzeugen. Mit dem Eckfrser knnen Abstze hergestellt oder Bohrungen erweitert werden. Sie besitzen folgende Eigenschaften: Sie haben stirnseitig in der Regel zwischen 5-50 Schneiden in Form von Schneidplatten. Die erzeugte Oberflche und die Frsachse stehen senkrecht zueinander. Sie haben eine zentrische Bohrung, die zur Zentrierung und Aufnahme dient. Die radiale Mitnahme erfolgt ber eine Quernut. Sie ermglichen hohe Zerspanungsleistungen. Eckfrser Planfrser Anwendungsgebiete: Einsetzen auf Waagrecht- und Senkrechtfrsmaschinen ist mglich. Mit Planfrskfen oder Eckfrskpfen knnen ebene Flchen erzeugt werden. Mit Eckfrskpfen werden rechtwinkeliger Abstze hergestellt und Nuten gefertigt. Mit runden Schneidplatten und Eckfrskpfen knnen Freiformflchen hergestellt werden. [9] Schaftfrser (Abb.2.11): Die Schaltfrser besitzen als wesentlichen Kennzeichen einen integrierten Schaft, der in einer Frseraufnahme eingesetzt wird. Sie besitzen folgende Eigenschaften: Sie haben eine zylindrische Umfangsflche mit 2-8 Schneiden und Stirnschneiden. Sie sind meist spiral- aber auch geradgenutet. Die radiale Mitnahme erfolgt ber den meist zylindrischen Schaft mit/ohne Spannflche Schafteckfrser Schaftschruppfrser Anwendungsgebiete: Einsetzen auf Waagrechte- und Senkrechtefrsmaschinen ist mglich. Offener und geschlossener Nuten knnen erzeugt werden. Mit dem Langlochfrser knnen Bohrungen hergestellt werden. Aller metallischen Werkstoffe knnen verarbeitet werden. [9] Scheibenfrser (Abb.2.12): Scheibenfrser sind Frser, die eine Form von Scheiben haben und ihre Breite ist im Vergleich zum Durchmesser gering. Sie besitzen folgende Eigenschaften: Sie haben Umfangsschneiden und mindestens an einer Stirnseite Schneiden. Zwei oder drei Flchen werden gleichzeitig hergestellt. Die radiale Mitnahme erfolgt ber Lngsnut oder eine stirnseitige Quernut. Scheibenfrser werden von einem Frsdorn aufgenommen. Anwendungsgebiete: Einsetzen auf Waagrecht- oder Senkrecht-Frsmaschinen ist mglich. Ebene Flchen, oder rechtwinkeliger Abstze knnen hergestellt werden. Nuten geringer Tiefe und groer Tiefe knnen mit geradverzahnten oder mit kreuzverzahnten Scheibenfrser gefertigt werden. Mit Scheibenfrsern geringere Schnittbreite(Trennflchen) knnen Material getrennt werden. [9] T-Nutenfrser (Abb.2.13): Nutenfrser dienen speziell der Herstellung von Nuten und daher Formfrser. Sie besitzen folgende Eigenschaften: Sie sind gerad-, kreuz- oder pfeilverzahnt. Sie haben Umfangsschneiden und an jeder Stirnseite Schneiden. Drei Flchen werden gleichzeitig erzeugt. Sie ermglichen eine hohe Produktivitt. Nutenfrser werden von einem Frsdorn aufgenommen. Abbildung 2.13 T-Nutenfrser [18] Anwendungsgebiete: Einsetzen auf Waagrecht- und Senkrecht-Frsmaschinen ist mglich. Rechtwinkeliger Abstze knnen erzeugt werden. Nuten groer Tiefe mit kreuzverzahnten Nutenfrser knnen gefertigt werden. Aller metallischen Werkstoffe knnen verarbeitet werden. [9] 2.3 Bauformen und die wichtigsten Ausfhrungsarten(Typen) von Frsmaschinen Die Frsmaschinen werden nach folgenden Kriterien gebaut: Die Lage der Hauptspindel: waagerechte ,senkrechte oder schwenkbare Spindel. Der konstruktive Aufbau des Gestells (Bett, Konsole, Portal). Die Art und die Anordnung des Tisches (Werkstcktrger).Groe, schwere Werkstcke werden auf Maschinen bearbeitet, die die Vorschubbewegungen durch das Werkzeug ausfhren lsst. Kleinere Werkstcke werden mit Vorschubbewegungen des Tisches bei fester Lage der Arbeitsspindel bearbeitet, wenn keine anderen Forderungen dagegen sprechen. Die Zuordnung der Bewegungsachsen. Die Lage der Bewegungsachsen. Die Art der Steuerung: von Hand, verschiedene Kopiersteuerung, NC-Steuerung. [2][3] Wegen der Vielfltigkeit der Einsatzvarianten gibt es viele unterschiedliche Bauarten von Frsmaschinen. Je nach Bauformen unterteilt man die Frsmaschinen blicherweise nach: Bettfrsmaschinen Konsolfrsmaschinen (Waagrecht- und Senkrecht-Konsolfrsmaschinen) Langfrsmaschinen. Portalfrsmaschinen. Stnderfrsmaschinen. Kreuztischfrsmaschinen. Bohr- und Frsmaschinen. HSC (High speed-Cutting) Frsmaschinen. Sonderfrsmaschinen z.B. Gewindefrsmaschinen oder Wlzfrsmaschinen. 3 Konstruktiver Aufbau der Frsmaschinen Die Frsmaschinen werden aus unterschiedlichen Gesichtspunkten wie z.B. nach konstruktiven Merkmalen unterschieden, nach bestimmten Einsatzmglichkeiten oder nach Steuerungsart benannt. 3.1 Bettfrsmaschinen Die Benennung von Bettfrsmaschinen fhrt nach dem Maschinenbett, auf das sich die ganze Maschine aufgebaut wird. Die Hhenlage des Aufspanntisches und damit des Werkstcks bleibt unvernderlich. Entsprechend dagegen sind die Konsolfrsmaschinen. Die Hhenlage des Tisches ist bei Konsolfrsmaschinen vernderlich. Die Bettfrsmaschinen werden bei der Bearbeitung schwerer Werkstcke bei unvernderlicher Hhenlage des Aufspanntisches eingesetzt. Bauweisen der Bettfrsmaschinen: Der Aufbau der Bettfrsmaschinen ist oft modular und kann den Beanspruchungen des Anwenders angepasst werden. Bettfrsmaschinen setzen sich meistens aus einem Unterteil und einem Stnder, der eine Vertikalfhrung besitzt, und aus einer Querfhrung, zusammen. Der Stnder wird mit dem Unterteil fest verschraubt. Eine Horizontalfrseinheit oder eine Vertikalfrseinheit ist in der Vertikalfhrung in vertikaler Richtung verschiebbar angeordnet. Die Querfhrung wird vom Grundstell getragen. Auf der Querfhrung ist ein Kreuzschlitten, auf dem der Maschinenlngstisch gleitet. [14] In Abb.3.1 ist eine schematische Darstellung der Bettfrsmaschine dargestellt. Je nach Anordnung der Hauptspindel unterteilt man die Frsmaschinen blicherweise nach Vertikal- und Horizontalfrsmaschinen. Die meisten Bettfrsmaschinen knnen wahlweise mit Frseinheiten der einen oder anderen Art ausgeschaltet werden und bieten darber hinaus Kombinationsmglichkeiten. Vertikal-Bettfrsmaschinen (siehe Abb.3.2) Die Querbewegung wird von der Frseinheit ausgefhrt. Daraus resultieren der groe Querweg und die hervorragende Bedienerfhrung. vertikal- und Querfhrung sind auf Zug und Druck belastet. Lngsfhrung hat tragende Funktion. Linearfhrung mit Rollenumlaufeinheiten. Vertikalfrskopf manuell schwenkbar +/- 90. [19] Horizontal- Vertikal-Bettfrsmaschine (siehe Abb.3.3) Hohe Motorleistung mit geregelten AC-Motoren. Spindelaufnahme. Hydromechanischer Werkzeugeinzug. Hydraulischer Gewichtsausgleich fr die Vertikalbewegung. Hintere Bettsttzung. Hohe Zerspannleistung. [19] Abbildung 3.3 Horizontal- Vertikal- Bettfrsmaschine (Reckermann) [19] Universal-Bettfrsmaschine (siehe Abb.3.4) Die Universalfrsmaschinen besitzen gegenber der waagrecht- Frsmaschine einen schwenkbaren oder austauschbaren Frskopf. Auf Universalfrsmaschinen knnen neben dem waagrecht-, senkrecht- und Winkelfrsen auch mit Hilfe eines Teilapparates z.B. Schraubennuten in Drehkrper gefrst werden. Sie werden bei der Bearbeitung viele Werkstcke mit Frs- und Bohrbearbeitung im Werkzeug- und Formenbau sowie in der Einzelproduktion eingesetzt. [5] Die Bewegungen der drei Koordinatenrichtung (x, y, z) werden bei den Bettfrsmaschinen auf Tisch, Stnder und Frseinheit aufgeteilt, das Werkstck bernimmt eine oder zwei Achsen, das Werkzeug bernimmt eine, zwei oder drei Achsen. Tisch fhrt Lngsbewegung aus. Stnder fhrt Querbewegung aus. Frseinheit fhrt Vertikalbewegung aus. Nach der Achsenzuordnung unterteilt man die Bettfrsmaschinen nach: a) Kreuztisch-Frsmaschine, mit einer Werkzeug- und zwei Werkstckachsen (Abb.3.5-a). b) Tisch-Frsmaschine, mit zwei Werkzeug- und einer Werkstckachse mit starrem Stnder (Abb.3.5-b). c) Tisch-Frsmaschine, mit zwei Werkzeug- und einer Werkstckachse mit querverfahrbarem Stnder (Abb.3.5-c). d) Starrtisch-Frsmaschine mit drei Werkzeugachsen mit lngsverfahrbarem Stnder (Abb.3.5-d). e) Starrtisch-Frsmaschine mit drei Werkzeugachsen mit querverfahrbarem Stnde (Abb.3.5-e).[6] a ) b) c) d) e) a) Kreuztisch-Frsmaschine, mit einer Werkzeug- und zwei Werkstckachsen. b) Tisch-Frsmaschine, mit zwei Werkzeug- und einer Werkstckachse mit starrem Stnder c) Tisch-Frsmaschine, mit zwei Werkzeug- und einer mit querverfahrbarem Stnder. d) Starrtisch-Frsmaschine mit drei Werkzeugachsen mit lngsverfahrbarem Stnder. e) Starrtisch-Frsmaschine mit drei Werkzeugachsen mit querverfahrbarem Stnder. 3.1.1 Kreuztischfrsmaschinen Bei der Kreuztischbauweise fhrt der Kreuztisch, der auf den breiten Fhrungsbahnen des Bettes liegt, Bewegungen in den zwei Bearbeitungsebenen aus. Der Frsschlitten bernimmt die vertikale Zustellung. Dadurch ergibt sich eine hohe statische und dynamische Steifigkeit. [5] In Abb. 3.6 ist eine CNC- Kreuztisch-Frsmaschine dargestellt. Sie wird mit dem CNC-Rundtisch und mit einem CNC-gesteuerten Frskopf ausgerstet. Als nderung wird diese Maschine mit Lngstisch und einem festen Frskopf ausgefhrt. [6] 3.1.2 Tischfrsmaschinen Bei der Tischbauweise fhrt die werkzeugtragende Baugruppen (meist der Stnder) zwei Vorschubbewegungen auf das Bett aus. Am Stnder gleitet der Spindelstocktrger in Flachfhrungen in vertikaler Richtung. Der Spindelstock fhrt eine horizontale Bewegung aus. ber zwei Ketten oder Stahlseile mit dem Spindelstocktrger ist ein Gegengewicht, das die bewegte Masse, die sich im inneren des Stnders befindet und dient zur Entlassung der Fhrungen, ausgleicht, verbunden. [5] In Abb.3.7 ist eine Tisch-Frsmaschine mit starrem Stnder dargestellt. 1.Stnder 2.Frseinheit 3.Universalfrskopf 4.Antriebsmotor 5.Arbeitstisch 6.Adapter 7.Trommelmagazin 8.Doppelgreifer 9.Steuertableau 10.Steuerschrank Abbildung 3.7 Tisch- Frsmaschine mit starrem Stnder (Kekeisen) [6] Der Stnder fhrt eine senkrechte Bewegung in der Z-Achse aus. Die Frseinheit fhrt die Querbewegung in der Y-Achse aus. Der Universalfrskopf ist um die zwei rechtwinklig zueinander angeordneten Achsen A und C drehbar. Diese zwei Drehungen des Frskopfes hngen voneinander nicht ab. (Patent der Firme Kekeisen)[6] 3.1.3 Fahrstnder Bettfrsmaschinen Sie haben als Gestell ein Maschinenbett in T-frmiger Bauweise. Der Fahrstnder ist eine kastenfrmige Gussausfhrung hoher Stabilitt. Der Werkzeugtrger bewegt sich an dem Fahrstnder. Bauweisen der Fahrstnder-Bettfrsmaschine: Ein geschlossener Fahrstnder mit einem Universalfrskopf wird auf dem Maschinenbett verfahren, so dass zwei Bewegungsachsen dem Werkzeug zugeordnet sind. Durch dreh- oder schwenkbare Tischausfhrungen kann das Werkstck neben dem Verfahren der dritten Achse zustzliche NC-Achsen erhalten. [2] In Abb.3.8 ist eine Grundmaschine in Fahrstnder-Bett-Bauweise dargestellt. Abb.3.9 zeigt eine Universal- Fahrstnderfrsmaschine der Firma Kekeisen. Diese Universal Fahrstnder Bettfrsmaschine wird groartig fr die vierseitige Bearbeitung von sehr groen und sperrigen Teilen konzipiert. Werkstcke mit hohem Gewicht oder mit bergre knnen wegen des ruhenden Tisches immer mit gleicher bleibender Dynamik bearbeitet werden. Der Bedienmann kann durch das mitfahrende Podest jederzeit dicht am Ort des Ereignisses sein. Die absolute Trennung zwischen Bett und Tisch ermglicht es, diesen entsprechend den Erfordernissen zu verndern z.B. als Plattenfeld oder mit Absetzung fr einen Rundtisch. [20] 3.2 Portalfrsmaschinen Die Benennung von Portalfrsmaschinen fhrt nach dem Portal, das durch die Ausfhrung des Frskopfes an einem Querbalken zwischen zwei Stnder gebildet wird. In Abb. 3.10 ist eine schematische Darstellung der Portalfrsmaschine dargestellt 3.2.1 Portalfrsmaschinen mit starren Stnder Sind Frsmaschinen mit einer Werkstck- und zwei Werkzeugachsen, die mit einem starren in Portalbauweise ausgefhrten Stnder konzipiert werden. In Abb.3.11 ist eine Portalfrsmaschine in Tisch- Bauweise mit starrem Stnder von der Firma DROOP REIN dargestellt. Der Stnder 1 dieser Maschine ist in Portalbauweise ausgefhrt. Er besteht aus dem Maschinenfu und dem angeschraubten Querhaupt, an welchem ein Kreuzsupport 2 entlang der Y-Achse gefhrt wird. Der Spindelkasten 3 wird auf dem Kreuzsupport lngs der Z-Achse gefhrt. Der Tisch 5 bewegt sich auf dem feststehenden Bett in X-Richtung. Der Gabelfrskopf 4 ist um A-, B- und C-Achse schwenkbar. Der Schaltschrank 7 mit allen Anschlssen fr die elektrischen, hydraulischen und pneumatischen Versorgungen des Spindelkastens befindet sich ber dem Spindelkasten. Die Vorschubantriebe werden durch die Servomotoren 6 angetrieben. Die Steuerung 8 ist mit einem Handhabungsgert zum Positionieren 9 ausgerstet. [12] 3.2.2 Portalfrsmaschinen in Gantry Bauweise Als Gantry-Antrieb bezeichnet man eine Werkzeugmaschine, bei der sich ein Bewegungssystem einer geometrischen Achse speziell bewegt. Dabei wird der gesamte Stnder der Maschine bewegt oder bei einer Portalbauform wie einer Portalfrsmaschine wird beider Stnder zugleich bewegt. [16] In der Gantry Bauweise wird das Werkstck auf einem starren Tisch gespannt und alle drei Bewegungsachsen werden dem verfahrbaren Maschinenportal zugeordnet. Diese Ausfhrung hat den Vorteil, dass die gesamte Maschine nur noch so lang sein muss, wie das lngste zu bearbeitende Werkstck bzw. die Aufspannplatte. [2] Die Abb.3.12 zeigt den schematischen Aufbau von Portalfrsmaschine in Gantry Bauweise In Abb.3.13 und Abb.3.14 sind Portalfrsmaschinen mit Gantry Bauweise dargestellt. 3.3 Konsolfrsmaschinen Konsolfrsmaschinen werden infolge ihres relativ niedrigen Preises und ihrer groen Universalitt und Flexibilitt bei der Bearbeitung kleiner bis mittelgroer Werkstcke sowie zur Werkzeugfertigung und fr den Werkstattbetrieb bevorzugt in verschiedenen Bauweisen eingesetzt, obwohl sie wegen ihrer geringeren Steifigkeit zunehmend von stabileren Systemen verdrngt werden. Je nach Anordnung der Hauptspindel unterteilt man die Konsolfrsmaschinen blicherweise nach waagrechten, senkrechten und kombinierten Konsolfrsmaschinen. Abb.3.15 zeigt die Grundbauform von Konsolfrsmaschinen. Bauweisen der Konsolfrsmaschine: Die Konsolfrsmaschinen bestehen aus einem Stnder mit gegossener Grundplatte, einem Ausleger, einem Kreuzschlitten, der die Fhrung fr den in der X-Achse verfahrbarem Lngstisch trgt und die Querbewegung in der Y-Achse ausfhrt und aus einer Konsole fr die Vertikalbewegung in der Z-Achse (siehe Abb.3.17 ). Die Konsolfrsmaschine eignet sich zum Frsen verschiedenen Aufgaben. Die Abb.3.16 zeigt schematische Darstellungen fr eine waagerechte, eine senkrechte und eine kombinierte Konsolfrsmaschine. a)Waagrechte Konsolfrsmaschine b)Senkrechte Konsolfrsmaschine c)Kombinierte Konsolfrsmaschine Die Frsdorngegenlagen werden bei den waagrechten Konsolfrsmaschinen auf dem verschiebbaren Ausleger aufgenommen aber bei den senkrechten und bei den kombinierten Konsolfrsmaschinen werden die schwenkbaren Frskopfe auf dem Ausleger aufgenommen. [12] Die Frskpfe knnen bei den senkrechten Konsolfrsmaschinen um eine horizontale Achse drehen, so dass die Spindel auch in eine schrge Lage gebracht werden knnen. In Abb.3.17 ist eine Konsolfrsmaschine dargestellt. Die waagerechte Konsolfrsmaschine besitzt einen Hauptantrieb fr die waagrechte Hauptspindel. Die kombinierte Konsolmaschine besitzen zwei Hauptantriebe: Hauptantrieb fr die waagerechte Hauptspindel und Hauptantrieb fr die senkrechte Hauptspindel. Die Abb.3.18 zeigt die perspektivische Darstellung einer modernen kombinierten Konsolfrsmaschine. Die beide Hauptspindel 1 und 2 sind im schwenkbaren Frskopf 3 gelagert. Der Frskopf 3 ist auf dem Ausleger 4 aufgenommen. Er schwenkt um +/-90. Die Konsole 5 bewegt sich senkrecht auf den Fhrungen des Stnders 6 in der Z-Achse, der Kreuzschlitten 7 bewegt sich quer auf den Fhrungen der Konsole in der Y-Achse, der Lngstisch 8 bewegt sich lngst auf den Fhrungen des Kreuzschlittens in der X-Achse.[6] Die kombinierten Konsolfrsmaschinen werden hufig in Instandsetzungsarbeiten, Reparaturen eingesetzt. 3.4 Sonderfrsmaschinen Die Sonderfrsmaschinen werden beim Frsen Aufgaben entweder infolge der Form und der Art der Werkstcke, wie Turbinenteile, Rotoren fr Generatoren, Kurbelwellen, Flugzeugteile u.a. oder aus technologischen Grnden am wirtschaftlichsten als speziell gestaltete Frsmaschinen konzipiert. So gibt es z.B. Kopierfrsmaschinen, Wlzfrsmaschinen zur Herstellung von Zahnrdern, Gewindefrsmaschinen, Kurbelwellenfrsmaschinen, Nutenfrsmaschinen, Plattenfrsmaschinen. 3.4.1 Kopierfrsmaschinen Fr die Bearbeitungsverfahren wurden die Vorschub- und Verfahrwege bei den bisher beschriebenen Maschinen entweder von Hand oder automatisch (NC-Programm) vorgegeben. Es gibt noch eine Technik, die im Growerkzeug- und Formenbau mit seinen komplizierten rumlich gekrmmten Flchen angewendet wird. Diese Technik bezeichnet man sie als Kopiertechnik, bei der die zu erstellende Oberflchengeometrie synchron mit einem Taster von einem Modell abgegriffen wird. Die Auslenkung des Tasters wird dabei in Steuerungsbefehle der Maschine umgesetzt. Je nach Anordnung der Hauptspindel gibt es waagerechte und vertikale Kopierfrsmaschinen. Als Ausleger- und Portalfrsmaschinen sind die Vertikal- Frsmaschinen zur Verfgung. Auf verschiedenen Seiten des Auslegers liegen Fhler und Werkzeug. Der Einsatz von verfahrbaren Stndern, separaten Fhlermaschinen oder mehrspindligen Systemen wurden als andere Lsungen vorgesehen. Eine Maschine, die hoher statischer und dynamischer Steifigkeit besitzt und nur ein Konzept mit einem geschlossenen Kraftflu bietet, wird von den steigenden Zerspanleistungen vorausgesetzt. Diese Grnde fhren zum verstrkten Einsatz von Portalfrsmaschinen. Durch den vermehrten Einsatz von CAD/CAM -Systemen nimmt in der Zukunft die Bedeutung der Kopiertechnik ab. [5] In Abb.3.19 ist eine Kopierfrsmaschine dargestellt. Abbildung 3.19 Kopierfrsmaschine [22] 3.4.2 Wlzfrsmaschinen zur Herstellung von Zahnrdern Verschiedene Frsen Aufgaben wie z.B. Stirnrder, Schneckenrder und Kegelrder knnen von diesen Maschinen durchgefhrt werden. Die kinematischen Vorgnge des Verfahrens sind neben der bekannten Steifigkeit fr die Konstruktion dieser Maschine grundstzlich. Das hat fr den Antrieb die Bedeutung von einer Verkettung verschiedenen Bewegungen. Das Werkzeug und das Werkstck werden zunchst wie ein Schneckentrieb zusammenarbeiten. Es muss zerspannt und nicht gekmmt werden. Das bedeutet eine der Zhnezahl des herzustellenden Zahnrades muss einstellbar sein, um die entsprechende bersetzung zwischen Hauptspindel und Werkstckspindel einzustellen. Auf dem Frsschlitten ist der Frskopf schwenkbar, damit der Wlzfrser um seinen Steigungswinkel schrg zur Vorschubrichtung verstellt werden kann. [5] In Abb.3.20 ist eine Wlzfrsmaschine von der Firma KOEPFER dargestellt. Abbildung 3.20 Wlzfrsmaschine (KOEPFER) [23] 3.4.3 Gewindefrsmaschinen Gewindefrsmaschinen stehen als Kurzgewindefrsmaschinen und Langgewindefrsmaschinen zur Verfgung. In den beiden Maschinen geht der Hauptantrieb zur Frsspindel. Bei den Kurzgewindefrsmaschinen ist die Frsspindel parallel zur Werkstckachse und bei den Langgewindefrsmaschinen ist sie um den Steigungswinkel schrg dazu geneigt. Langgewindefrsmaschinen: Die Langgewindefrsmaschine hat den Aufbau wie eine Spitzendrehbank, eben weil das Werkstck diese Bedingung stellt. Der langsame Rundvorschub wird auch hier von der Werkstckspindel erzeugt. Der Frsschlitten ist einem Support einer Drehmaschine hnlich, weil er auch ber Wechselrder und Leitspindel von der Werkstckspindel angetrieben wird. Der Frsspindel ist wie oben erlutert um den Steigungswinkel schrg dazu geneigt werden kann. Der Frsschlitten kann sich auch selbstverstndlich fr verschiedene Gewindedurchmesser und Gewindetiefen quer bewegen. Rechts- und Linksgewinde knnen mit dem scheibenfrmigen Profilfrser gefrst werden. Die beide Lauffrsen (Gleich- und Gegenlauffrsen) sind dabei mglich. Innengewindefrsen sind auch mglich aber das Werkstck muss fliegend gespannt werden. Ein kritischer Punkt ist dabei zu beachten. Sehr lange Gewinde sind nicht frsbar, weil sie von der Spindel des Innengewindefrsapparates verhindert wird. Diese Lnge ist vom Gewindedurchmesser abhngig. [5] Kreuzgewindefrsmaschinen: Im Gegensatz zur Langgewindefrsmaschinen besitzen die Kreuzgewindefrsmaschinen einen Spindelstock, der das fliegend eingespannte Werkstck mit dem langsamen Rundvorschub antreibt, so dass auch Innengewinde gefrst werden knnen , wenn der Frserdurchmesser entsprechend klein ist. Im Vergleich mit dem Wlzfrser fr Zahnrder sind die Schneiden nicht schraubenfrmig angeordnet, sondern wie auf einer Rundzahnstange, dessen Zahnabstand der Gewindesteigung entspricht. Whrend einer Werkstckumdrehung um eine Steigungshhe muss die Frsspindel neben der hohen Schnittdrehzahl noch einen Pinolenvorschub erzeugen und sie fhrt auch zur gleichen Zeit auf einem Querschlitten so lange radial in das Werkstck, bis nach etwa 1/6 Umdrehungen des Werkstckes die gewnschte Schnitttiefe erreicht ist. Mit konstanter Schnitttiefe wird weitergefrst, bis das Gewinde fertig ist, infolge des Schnittauslaufs ist es nach etwa 5/4 Umdrehungen der Werkstckspindel. Der Querschnitt kann dann wieder herausfahren. [5] 4 Bohr und Frswerke Die Bohr- und Frswerke eignen sich hervorragend fr die vier- und fnfseitige Bearbeitung mittelgroer und groer Werkstcke in einer Aufspannung. Der Aufbau der Bohr- und Frswerke ist wie den Aufbau den Tisch-Frsmaschinen mit einer Werkstckachse und mit zwei Werkzeugachsen. Man unterscheidet zwischen folgenden Bauformen: Bohr und Frswerke mit querverfahrbarem Stnder (siehe Abb.4.1) Bohr und Frswerke mit starren Stnder (siehe Abb.4.2) Bohr und Frswerke mit starren Tisch (siehe Abb.4.3) 1 Tisch 2 Spindelstock 3 Stnder 4 Bohrspindel Abbildung 4.1 CNC-Waagrecht Bohr- und Frswerke mit querverfahrbarem Stnder (Kekeisen) [13] Diese CNC-Waagerecht Bohr- und Frswerke mit querverfahrbarem Stnder besitzt einen NC-Rundtisch, einen Werkzeugwechsler mit Magazingren von 30 bis 100 Pltzen. Die Aufnahme von groen Werkzeugen ist auch mglich. Das Kettenmagazin wird bei groer Werkzeuganzahl als Doppelschleife angesetzt. Die Bestckung erfolgt stets von der Rckseite her. An der linken Seite der Maschine werden der Werkzeugwechsler und das Magazin angeschraubt. Abbildung 4.2 Bohr- und Frswerk mit starrem Stnder [12] Eine fnfseitige Bearbeitung ist durch einen Universal- Frs und Bohrkopf in Verbindung mit dem Rundtisch mglich sowie das Frsen von schrgen Flchen in einer Aufspannung. Die Bohr- und Frswerke besitzen generell entweder einen lngsverfahrbaren Frstisch oder einen lngsverfahrbaren Rundtisch. Der modulare und ein vielfltiges Programm an Zusatzeinrichtungen bieten die Gelegenheit der Anpassung an das jeweilige Teilspektrum. Abbildung 4.3 schematische Darstellung des Bohr- und Frswerkes mit starren Tisch [12] Die Bohr- und Frswerke mit starren Tisch und drei Werkzeugachsen werden bevorzugt bei der Bearbeitung schwere Werkstcken eingesetzt. [12] 5 Bearbeitungszentren von Frsmaschinen Bearbeitungszentren sind numerische gesteuerte Werkzeugmaschinen zum Bohren und Frsen, die mit einer automatischen Werkzeugwechseleinrichtung in Verbindung mit einem Werkzeugmagazin und einem Drehtisch fr die Rundumbearbeitung ausgerstet sind. In einer Aufspannung des Werkstcks werden verschiedene Frs -und Bohroperation durchgefhrt. [14] Bearbeitungszentren werden zu den NC-Universalmaschinen zugeordnet. Die Bearbeitungszentren besitzen hervorragend sehr hohe Flexibilitt, die die Anpassung der Maschine an die zu bearbeitenden Werkstcke ermglicht. Sie sind auch durch ihre relativ geringe Produktivitt angesehen. Die Einsatzmglichkeiten fr die moderne Bearbeitungszentren sind massenhaft wie z.B. Fertigungsaufgaben in der Mittel- und Groserienfertigung bei den Flugzeugbau, Automobilindustrie, Pneumatik- und Medizintechnik und in deren Zulieferunternehmen. [2][14] Die Bearbeitungszentren unterteilt man blicherweise nach: * Der Anordnung der Hauptspindel in horizontale Bearbeitungszentren und vertikale Bearbeitungszentren * Der Achsenzuordnung, * Der Bauweise der Grundmaschine, * Der Anordnung des Werkzeugwechsels, * Der Anordnung des Werkzeugmagazins.[2] 5.1 Horizontal-Bearbeitungszentren Horizontal-Bearbeitungszentren besitzen eine waagrechte Hauptspindel. Die Bauweise der Horizontal-Bearbeitungszentren ist infolge der Zuordnung der Achsen auf das Werkzeug oder auf das Werkstck und der Gestellbauweise unterschiedlich. Horizontal-Bearbeitungszentren besitzen grundstzlich grere Werkstckspeicher als Vertikal-Bearbeitungszentren und ihre Werkstckwechselsysteme sind Standard. Im Groserieneinsatz verringern sich dadurch die Produktionsnebenzeiten [2] Die in Abb.5.1 dargestellte Bauform des Bearbeitungszentrums mit horizontaler Arbeitsspindel ist als Gantry-Bauweise mit allen Achsen im Werkzeug. Das Werkstck sitzt auf einem Tisch, der als 4.Bewegungsachse ausgelegt ist. Abbildung 5.2 Bearbeitungszentrum mit horizontaler Hauptspindel, seitlich gefhrtem Spindelstock und querverfahrbarem Stnder (Wotan) [6] Der seitlich gefhrte Spindelstock 1 mit waagerechter Hauptspindel 2 bewegt sich am Maschinenstnder 3 in der senkrechten Y-Achse. Der Maschinenstnder 3 bewegt sich quer mit dem Stnderschlitten 4 in der Z-Achse, der Maschinentisch 5, der auf einem Rundtisch aufgebaut wird, bernimmt die Bewegung in der X-Achse. Die in der Pinole 6 hydrostatisch gelagerte Hauptspindel bewegt sich in der W-Achse. Stnderbett 7 und Tischbett 8 sind in Kreuzbettanordnung zueinander angeordnet. Zum Werkzeugwechsel entnimmt der am Zubringer 9 drehbare Doppelgreifer 10 das Werkzeug aus dem Kettenmagazin 11. Der manuelle und der automatische Betrieb kann durch die schwenkbare Bedienpult 12 gesteuert werden [6]. Bis zu 60 Werkzeuge knnen vom Kettenmagazin aufgenommen werden. Aus der Hauptspindel wird das gebrauchte Werkzeug durch die leere Doppelgreiferzange gebracht. Der Doppelgreifer schwenkt um 180. Die Hauptspindel nimmt das neue Werkzeug auf und das gebrauchte Werkzeug wird dem Kettenmagazin bergegeben. Die seitliche Befestigung des Werkzeugmagazins am Maschinenstnder und das Anschrauben des Zubringers am Spindelstock ermglicht es, dass das Werkzeug in jeder Stellung des Stnders und des Spindelstockes gewechselt werden kann. Die Belastung der beweglichen Teile der Maschine mit zustzlichen Gewichten wenn hohe Genauigkeitsansprche an die Maschine gestellt werden, ist nicht gestattet. Das ist unvorteilhaft bei dieser Maschine. [6] 5.2 Vertikal-Bearbeitungszentren Vertikal- Bearbeitungszentren besitzen eine vertikale Hauptspindel und als Bauform haben sie die Gantry-Bauweise mit allen 3 Bewegungsachsen im Werkzeug. Die Fhrungen liegen auf stabilen Seitenstndern. Der Y-Achsenantrieb ist auf die zwei Seiten des Quertrgers verfgbar. Das Werkstck wird auf einem Starrtisch angebracht. Die Stnder und der Tisch werden auf einem starren Bett in Kastenbauweise, das als Grundkrper eingebaut wird, befestigt. In Abb.5.4 ist ein Bearbeitungszentrum mit vertikaler Hauptspindel, frontal gefhrtem Spindelstock, starrem Tisch und querverfahrbarem Stnder von der Firma CHIRON dargestellt. Abbildung 5.4 Bearbeitungszentrum mit vertikaler Hauptspindel, frontal gefhrtem Spindelstock, starrem Tisch und querverfahrbarem Stnder (Chiron) [6] Der Spindelstock 1 mit senkrechter Hauptspindel 2 bewegt sich am Maschinenstnder 3 in der Z-Achse. Der Maschinenstnder verfhrt auf einem Kreuzschlitten quer in der Y-Achse, das untere Teil des Kreuzschlittens bernimmt die Bewegungen in der X-Lngsachse. Auf dem Maschinenbett 4 wird der starre Arbeitstisch 5 mit den Spannvorrichtungen 6 aufgebaut. Der Werkzeugwechsler 7 hat ein Magazin mit 20 Arbeitspltzen, die um die Hauptspindel angeordnet sind. Jeder Magazinplatz verfgt ber einen separaten Greifarm 8. Das schwenkbare Bedienpult 9 ist mit einem Bildschirm und einer Maschinensteuertafel ausgerstet. Der Elektroschrank ist weiter hinten an den Maschinen angebaut. Der Spnefrderer 10 befindet sich unter die Tischkante. [6] Bei der Bearbeitung von schweren Werkstcken wird der Tisch belastet. Die Verwendung von Maschinen mit starren Tisch und drei Werkzeugachsen ist bevorzugt. Dieses Bearbeitungszentrum ist zum Bohren, Reiben, Gewinden und Frsen konzipiert. 5.3 Mehrspindelbearbeitungszentren Die Mehrspindelbearbeitungszentren eignen sich hervorragend, wenn fr die Bearbeitung auf einspindligen Bearbeitungszentren die Gesamtstckzahlen der zu fertigenden Werkstcke riesig sind. Im Vergleich zu den einspindligen Bearbeitungszentren hat die Anwendung von Mehrspindelbearbeitungszentren folgende Vorteile: Die Kosten sind fr die Herstellung und fr den Betrieb relativ niedriger. Der Platzbedarf sowie der Personenbedarf ist geringer. Die Zeit ist fr den Auftragsdurchlauf sowie fr den Werkzeug- und Werkstckwechsel relativ krzer Die Abb.5.5 enthlt eine Darstellung fr ein Zweispindel-Bearbeitungszentrum mit drei Werkzeugen, mit horizontalen Hauptspindel, seitlich gefhrten Spindelstock und lngsverfahrbarem Stnder. Der Kreuzschlitten setzt sich der aus der zweispindligen Bearbeitungseinheit 1 und dem Kreuzschlittenteil 2 zusammen und wird am Stnder 3 in der senkrechten Y-Achse gefhrt. Der Fahrstnder bewegt sich lngs in der X-Achse. Die zweispindlige Bearbeitungseinheit wird am Kreuzschlittenteil in der Z-Achse gefhrt. Auf dem Plattenrundtisch 4 wird den Aufspannturm 5 befestigt. Der Aufspannturm nimmt bis zu acht Werkstcke 6 auf. Auf dem Schwenktisch 7 sind zwei Rundtische vorhanden. Zwei Werkstcke werden gleichzeitig von den zwei horizontal vorhandenen Arbeitsspindeln bearbeitet. In einer Spannlage des Werkstckes knnen 3 Seiten bearbeitet werden, d.h. in einer Stellung des Aufspannturmes werden sechs Werkstcke an den der Arbeitsspindel zugewandten Seiten bearbeitet[12] Das Werkzeugmagazin 8 ist als Trommelmagazin mit 48 Werkzeugpltzen ausgefhrt. Der Bediener ist durch eine Trennwand zwischen den beiden Aufspanntrmen vor spnen geschtzt, die ber den Spnefrderer 9 entsorgt werden 6 Hauptspindel der Frsmaschinen Die Hauptspindel(Arbeitsspindel) ist die letzte Welle des Hauptantriebes. Sie ist eine Schlsselkomponente einer modernen Werkzeugmaschine. Die Herstellungsgenauigkeit hngt von der Fhrungsgenauigkeit der Hauptspindel ab. Die Hauptspindeln fhren die rotatorische Schnittbewegung aus und vorbereiten das Schnittmoment fr die Bearbeitung und sie werden direkt zum Werkstck oder Werkzeug verbunden. Die Hauptspindeln stellen die Schnittstelle zwischen Werkstck und Werkzeugmaschine dar. Die Krfte und Momente, die bei der Zerspanung entstehen, werden von den Hauptspindeln aufgenommen. Qualitative Besonderheiten folgen aus der Reaktion den Hauptspindeln auf statische, dynamische und thermische Belastungen. Die Hauptspindel mssen folgende Anforderungen eintreffen: Bei Drehmaschinen die Werkstcke, bei Bohr-, Frs- und Schleifmaschinen die Werkzeuge mit groer Genauigkeit aufzunehmen und geometrisch zu fixieren. Hohe Fertigungsgenauigkeit. Groe statische und dynamische Steifigkeit des Spindel-Lager-Systems. Einteilung der Hauptspindel: Die Werkzeugtragenden Hauptspindeln sind bei den Drehmaschinen dominant und bei Bohr- und Frsmaschinen typisch. Man unterteilt die Hauptspindeln blicherweise nach der Art der Lagerung (siehe Abb.6.1): Wlzlagerung Hydrostatische Gleitlagerung Hydrodynamische Gleitlagerung Aerostatische Lagerung Magnetlagerung Die grtenteils aller Werkzeugmaschinen- Hauptspindeln sind wlzgelagert: Vorteile der wlzgelagerten Hauptspindeln: Ein geeignetes Wlzlager ist fr jeden Betriebsfall, d.h. fr jede Kraft, Drehzahl und fr jede Genauigkeitsanforderung vorhanden. Die wlzgelagerte Hauptspindeln haben genormte Abmessungen und ruhiger Lauf Die wlzgelagerte Hauptspindeln besitzen hoher Wirkungsgrad und geringer Schmiermittelbedarf Nachteile der wlzgelagerten Hauptspindeln: Geringere Schwingungsdmpfung Ruckendes Gleiten bei niedrigen Drehzahlen. Abbildung 6.1 Einteilung der Hauptspindel nach der Kontaktart in der Lagerung [3] Die Hauptspindel wird bezglich der zu realisierenden Steifigkeit und Genauigkeit festgelegt. Eine Durchmesserabstufung vom Spindelflansch in Richtung Nebenlager hat sich auch hinsichtlich der Montage durchgesetzt. Ausgangspunkt der Auslegung ist oft das Festsetzen der Aufnahmeflchen fr Werkstck- oder Werkzeugadapter. [3] Bei den Hauptspindeln werden meistens Werkstoffe verwendet, die sich infolge ihres hohen E-Moduls und der erreichbaren Verschleifestigkeit durchgesetzt haben. Das Einsetzen von Verbundwerkstoffen(glasfaserverstrkte Kunststoffe) und Guss (Grauguss mit Kugelgraphit) sind bisher Einzelfllen vorbehalten Fr den Antrieb der Hauptspindeln (siehe Abb.6.2) gibt es folgende Mglichkeiten: Der Direktantrieb (Hauptspindel ist gleichzeitig Rotor) (siehe Abb.6.3) Dieser Antrieb hat folgende Besonderheiten zur Verfgung: Die Leistungs- Drehmomenten- Kennlinie des Motors wird gleichbleibend zur Spindel umgewandelt und stellt damit die Zerspanungsaufgaben bereit. Die Zugnglichkeit zur Spindel fr die Ausfhrung der Werkzeugspannung oder fr das Bringen von Stangenmaterial bei Drehmaschinen wird durch diese Aufstellung des Motors verbaut. Hohlwellenmotoren schaffen hierfr Alternativen. Den Indirekten Antrieb (siehe Abb.6.3) Eine Getriebestufe mit Konstantbersetzung setzt zwischen dem Motor und der Spindel (Abb.6.4) .Konstruktiv wird dies durch einen Riementrieb (Keil- oder Zahnriemen) gelst. Durch eine nicht schaltbare Zahnradbersetzung ist diese Variante auch mglich. Dieser Antrieb ist bezeichnet durch: Die Leistungs- Drehmomenten- Kennlinie des Motors wird entsprechend der bersetzung des Anpasstriebes ohne Aufweitung verschoben (Abb.6.5). Im Regelfall wird der Nenndrehzahl des Motors zu kleineren Drehzahlen verschoben. Die Anpassung des Bereichs konstanter Leistung an die Anforderungen der Bearbeitung ist mglich aber das ist mit einer Vernderung im Regelfall Verringerung der Maximaldrehzahl verbunden. Zugangsmglichkeit zum Spindelinneren fr die Ausfhrung der Werkzeugspannung oder das Zufhren von Stangenmaterial. Verschiedene Mglichkeiten fr die rumliche Anordnung des Motors in der Antriebeinheit. Abbildung 6.5 Verschiebung der Leistungskennlinie an der Arbeitsspindel [4] Bei der Wlz-Lagerung unterscheidet man zwischen folgenden Verfahren: Fest-Loslager-Verfahren (siehe Abb.6.6) Angestellte Lagerung (siehe Abb.6.7) Die vordere Lagerstelle wird bei der Klassischen Fest-Loslagerung als Festlager bearbeitet und die hintere als loslager. Abbildung 6.6 Fest-Loslager-Prinzip einer Bohrmaschinenhauptspindel (nach FAG Schweinfurt) [2] Zur Aufnahme der radialen (zweireihigen Zylinderrollenlager) und axialen Belastung (zweireihiges Axial- Schrgkugellager) an der vorderen Lagerstelle werden getrennte Lagerarten angewendet. Die axiale und radiale Steifigkeit lassen sich damit gut aufeinander anpassen und zusammen eine gnstige Laststeife erreichen. Einbauraum und Drehzahlhchstwert werden hingegen negativ beeinflusst. Die hintere Lagerung unter Verwendung von einem zweireihigen Zylinderrollenlager bewirkt durch die fehlende Lagerbordausfhrung am Auenring als Loslager. [2] Bei der angestellten Lagerung werden bestimmte Lagerausfhrungen (Kegelrollen- und Schrgkugellager) beim Einbau gegeneinander angestellt. Wenn die beiden an der vorderen und hinteren Lagerstelle liegen, ist eine Trennung in Fest- und Loslager nicht gegeben (Abb.6.6 Abb.6.7) Die beiden Lager werden durch ihre axiale Verspannung bei der Montage angestellt. Jedes der beiden Lager kann axiale Betriebskrfte in jeweils unterschiedlichen Richtungen aufnehmen. [2][3][4][6] 7 Entwicklungen, Forschungsthemen und Forschungstrends Heutzutage und auch in Zukunft werden ein Groteil der HSC-Spindeln wlzgelagert sein, da sich Wlzlager infolge ihrer ausgewogenen Merkmalen hinsichtlich Konstruktions- und Integrationsaufwand, Drehzahleignung, Steifigkeit, Verlustleistung und Preis im Vergleich zu anderen Lagerungsprinzipien hervorheben. Fr die gewhnlich in HSC-Spindeln bediensteten Schrgkugellager heit dies einen Betrieb bei Drehzahlkennwerten von 2,5 x 106 mm/min und darber. Deshalb wird die Leistungsfhigkeit blicher Spindel-Lager-Systeme vollstndig ausgereizt. Um bei diesen Forderungen einen unbehinderten Betrieb der Lagerung versichern zu knnen, erfordere es eines Hchstmaes an Verfahren bei der Auslegung von Spindel-Lager-Systemen sowie erheblichster Genauigkeit bei der Fertigung. [24] An den Instituten fr Werkzeugmaschinenlabor (WZL), Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik (ISW), Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (IWB) und Werkzeugmaschinen und Steuerungstechnik (IWM) werden an verschiedenen Projekten geforscht. Einige werden hier zusammengefasst. Entwicklung schnell laufender, wlzgelagerter Hauptspindeln fr Werkzeugmaschinen [24] Das Ziel des Projektes ist das Abstimmen der konventionellen Spindel-Lager-Systeme an hchste Drehzahlen und die Bearbeitung den Vorschlgen, wie diese Systeme und deren Umgebungen gestaltet sein mssen. In (Abb.7.1) ist eine Hauptspindel dargestellt. Entsprechend werden whrend dieses Projektes verschiedene Forschungsschwerpunkte untersucht: Getrennte Untersuchung des dynamischen Einflusses der Lagerung und der Spindel- Maschinen-Schnittstelle auf das Betriebsverhalten von Motorspindeln . Erprobung von Lagern mit 3 Wlzkontakten fr den Einsatz in der Hauptspindel. Optimierung der l-Luft Schmierung von Zylinderrollenlagern. Fettschmierung von Zylinderrollenlagern. Gestaltungsvarianten fr Spindellager zur Steigerung der erreichbaren Drehzahlen[24] Die verfgbare Spindelleistung und ihres Betriebsverhalten beeinflusst die erreichbare Zerspanleistung und die Bearbeitungsgenauigkeit in entscheidendem Mae. Dies ist aber von den Merkmalen der eingesetzten Spindellager und ihren Einbaubedingungen in der Spindel abhngig. Das Projekt beschftigt sich mit der experimentellen Untersuchung der Berechnungs- und Optimierungsanstze verschiedener Spindellagerkonzepte, wie beispielsweise konventioneller Spindellager, Lager mit modifizierter Geometrie oder Mehrpunkt. Integrierte Simulation des Systems Werkzeugmaschine Antriebe Zerspanprozess auf der Grundlage ordnungsreduzierter FEM-Strukturmodelle [25] Mit diesem Projekt soll ein Konzept zur Simulation und Optimierung von Werkzeugmaschinen unter industriellen Effektivitts- und Effizienzgesichtspunkten realisiert werden. Entsprechend sind die Automatisierung der Modellreduktion, um eine effiziente Simulation im Zeitbereich zu garantieren, die FEM-Modellierung elektromechanischer Voschubantriebssysteme durch Entwicklung eines parametrischen Modellierungskonzepts und die Bercksichtigung von Prozesskrften von Bedeutung. Die (Abb.7.2) enthlt die Lsungsidee zur effizienten FEM-Modellierung der bertragungssysteme. Adaptronik fr Werkzeugmaschinen [25] Eine industrielle Anwendung an Werkzeugmaschinen ist kaum vorhanden, obwohl die Vorteile aktiver Schwingungsdmpfung auf der Hand liegen. Ein hauptschlicher Grund dafr liegt in der fehlenden Systematik zur Auslegung adaptiver Dmpfungssysteme. Das Ziel dieses Projekt ist es, eine ganzheitliche Simulationsmethodik zur anforderungsgerechten Konstruktion aktiver Dmpfungssysteme an Werkzeugmaschinen zu entwickeln. Eco-Efficient Machine Tools by means of radical mass and energy needs reduction (EcoFit) [26] Im Rahmen dieses Projekt wird die Masse von Werkzeugmaschinen massiv reduziert. Daher wird die Leistungsaufnahme der Maschinen geringer. Zur Entwicklung industriell eingesetzter Maschinen soll einen neuen Ansatz geschafft werden. In der Zukunft sollen Maschinen in Leichtbauweise mit kontrollierter Flexibilitt an Stelle von bisher entwickelten steifen und massiven Maschinen entwickelt werden. Dementsprechend ist eine energiesparende, umweltschonendere und effizientere Produktion mglich. Maschinen in Leichtbauweise haben die Eigenschaft, dass durch die Verringerung von bewegten Massen zum Einen eine hhere Energieeffizienz der Maschine und zum Anderen eine hhere Lebensdauer von Maschinenteilen durch geringere Belastung erreicht werden. Auerdem vermindern die ebenso reduzierten Trgheitskrfte das Verletzungsrisiko bei Unfllen. Als Nachteil zhlt die Auswirkung der reduzierten Gesamtmasse jedoch auf das Systemverhalten. Die dynamische Steifigkeit wird durch die Massenreduktion vermindert un d damit neigt die Maschine zu einer erhhten Schwinganflligkeit. Um eine Lsung zu finden, mssen Methoden, die die Schwingungen des Systems durch Dmpfung unterdrcken, Schwingungen isolieren oder Schwingungen vollstndig vermeiden, gebracht werden Mechatronik-Simulation von Werkzeugmaschinen [25] Das Ziel dieses Projekt ist es, die entscheidenden Effekte der Parallelbearbeitung an einem Dreh-Frszentrum zu untersuchen und die Grenzen der dynamischen Belastbarkeit zu erforschen und deren Ursachen zu klren. Infolge der Ergebnisse sollen Empfehlungen erarbeitet werden, um die dynamische Belastbarkeit und somit die Produktivitt und die Bearbeitungsgenauigkeit zu verbessern. Die Abb.7.3 zeigt ein mechatronisches Simulationsmodell einer Werkzeugmaschine. Strukturbasierte Modellierung des fr die Stabilitt des Zerspanprozesses relevanten drehzahlabhngigen bertragungsverhaltens eines Spindel/Werkzeug-Systems [27] Im Rahmen dieses Projekt soll zuerst eine Modellierungs- und Parametrierungsstrategie fr die Abbildung des drehzahlabhngigen bertragungsverhaltens eines Spindel/Werkzeug-Systems entwickelt werden. Dabei wurde ein elastisches MKS-Modell verwendet, welches durch eine Kopplung mit einem Prozesskraftmodell die Berechnung von Ratterkarten durch Simulationen im Zeitbereich zulsst. Aufbauend auf diesen Ergebnissen soll eine Modellierungs- und Parametrierungsstrategie fr eine geeignete drehzahlabhngige Ersatzbeschreibung entwickelt werden, mit der eine zeiteffiziente Berechnung von Ratterkarten durch analytische/teilanalytische Verfahren mglich wird. Die Abb.7.4 zeigt das Prinzipielle Vorgehen zur Ermittlung von Ersatzparameter. Simulationsgesttzter Entwurf und anwendungsbezogene Optimierung aktiv magnetisch gelagerter elastischer WZM-Motorspindeln mit nichtlinearer Systemdynamik [27] Das Ziel dieses Projekt ist es, eine insbesondere geeignete Simulationsumgebung zu entwickeln und zu verifizieren. Diese untersttzt den Entwurf und die Bewertung des Gesamtsystems aktiv magnetisch gelagerte Spindel in Anwendungsfllen, in denen sich ein nichtlineares Verhalten der Regelstrecke befindet. Dabei sollen fr die Komponenten und Verhaltensbereiche elastischer Spindelkrper, Magnetlager, Verstrker, Hauptantriebsmotor, dynamische Prozesskrfte sowie nichtlineare Regler und Beobachter verknpfbare und im Zeitbereich simulierbare Modelle und zugehrige Parametrierungsvorschriften entwickelt und mit Messungen an einer realen Spindel abgeglichen werden. Die Abb.7.5 stellt das Modell der Magnetspindel und die Oberflchenqualitt als Ergebnis eines simulierten Fertigungsprozesses dar. Literaturquellen [1] Weck, M., Brecher, C. 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