Taschenbuch der Werkzeugmaschinen

Werkzeugmaschinen, Fertigungstechnik und die Fähigkeiten der Menschen sind die wichtigsten Voraussetzungen für die Herstellung von technischen Produkten in Unternehmen. Werkzeugmaschinen werden entwickelt und eingesetzt, um Werkstücke nach Angaben in technischen Zeichnungen als Fertigteile herzustellen. Die Fertigteile sind als Einzelteile, in Baugruppen, in Maschinen, in Konsumgütern oder in Investitions gütern einzusetzen.

Werkzeugmaschinen sind eine wesentliche Voraussetzung, um Fertigungs- und Produktionsprozesse zu realisieren. In den meisten Unternehmen sind Qualitätsmanagement-Systeme vorhandenen, die verstärkt auf die neue DIN EN ISO 9000:2008 umgestellt werden. Damit verbunden ist die prozessorientierte Unternehmensorganisation als Grundlage des Prozessmanagements. Die Werkzeugmaschine muss also verstärkt die Anforderungen erfüllen, die sich für den Maschinenhersteller und für den Werkzeugmaschinenanwender aus der Einbindung in die Prozesse der Unternehmen ergeben.

Kapazität ist das Verhältnis von einer Menge zu einem Zeitraum. Fertigungskapazität besteht aus der Kapazität von menschlicher Arbeit (die stark schwanken kann) und der Kapazität von Betriebsmitteln (die konstant ist). Je nach Technik hängen die beiden voneinander ab (Bild 3.1): ■ der Mensch muss sich nach dem Betriebsmittel richten: z. B. Beladung automatischer Einrichtungen. In diesem Fall ist die Kapazität des Betriebsmittels maßgebend. (Engpass Maschine) ■ das Betriebsmittel hängt vom Menschen ab: z. B. Nähmaschine. Der Mensch bestimmt die Kapazität. (Engpass Mensch) ■ Mensch und Maschine beeinflussen sich gegenseitig: z. B. Bedienung NC-gesteuerter Maschinen. Teils wartet der Mitarbeiter darauf, dass die Maschine ihren Zyklus beendet, teils wartet die Maschine darauf, dass der Mitarbeiter das fertige Teil entnimmt, ein neues einspannt, die Abdeckung schließt und auf den Knopf drückt.

Unternehmen stellen aus den 3 Produktionsfaktoren Material, Mitarbeiter und Betriebsmittel eine Leistung her. Welche Kombination von Produktionsfaktoren optimal ist, ist je nach Land, Branche und Wirtschaftslage verschieden. Der Aufwand für jeden Produktionsfaktor und der gesamte Aufwand lassen sich nicht direkt vergleichen, sondern nur in-direkt, indem man den Aufwand in Geld ausdrückt. Kostenrechnung beginnt also immer mit der Abbildung von Material, Mitarbeiter und Betriebsmittel auf der gemeinsamen Ebene der Kosten. Damit können auch sehr verschiedene Fertigungsmethoden verglichen werden.

Für die in der Phase der Produktion bzw. Fertigung notwendigen Maßnahmen zum Messen und Prüfen der Qualitätsmerkmale ist die Fertigungsmesstechnik der Oberbegriff folgender Bereiche: ■ Geometrische Messtechnik (Länge, Winkel, Grob- und Feingestalt) ■ Materialprüfung (Elastizität, Festigkeit, Härte, Verschleiß u. a.) ■ Funktionsprüfung (Geräusch, Kraft, Moment, Drehzahl, u. a.) ■ statistische Prozesssteuerung (SPC) ■ Fähigkeitsuntersuchungen ■ Prüfmittelüberwachung (PMÜ)

Historisch betrachtet ist mit dem Aufkommen der massenhaften industriellen Produktion eine stärkere Arbeitsteilung verbunden. So entstanden sehr schnell neue Berufsbilder u. a. das des Gestalters. In der Anfangs-phase industrieller Entwicklung waren es besonders Architekten, die dieses neue Berufsfeld besetzten (C. R. Mackintosh, P. Behrens, W. Gropius, L. Mies van der Rohe u. a.).

Grundlagenkenntnisse aus wichtigen Fachgebieten der Technik sind notwendig, um die Bedeutung von Werkzeugmaschinen für die Bereiche Ent wicklung, Konstruktion und Produktion zu erkennen.

Das Gestell ist das tragende Element einer Werkzeugmaschine und wird je nach Lage und Form auch als Bett, Ständer, Portal oder Rahmen bezeichnet.

In Abgrenzung zu den Lagerungen, die kreisförmige Bewegungen abstützen, ermöglichen Führungen geradlinige Bewegungen.

In Werkzeugmaschinen müssen Haupt-, Vorschub und Stellbewegungen realisiert werden. Während Hauptbewegungen die wesentliche Leistung für einen Prozess bereitstellen, also z. B. Schnittgeschwindigkeit und Schnittkraft beim Spanen, bestimmen Vorschubbewegungen mit deutlich geringerer Leistung die Werkstückform. Stellbewegungen dienen v. a. dem Transport und Spannen von Werkzeugen und Werkstücken.

Der Hauptantrieb umfasst alle Komponenten vom Antriebsmotor über die Hauptspindel (Kapitel 10) bis zur Schnittstelle für die Aufnahme von Werkzeugen oder Werkstücken (Kap. 14). In diesem Kapitel wird zunächst auf die Antriebsmotoren eingegangen.

In Werkzeugmaschinen werden für Vorschubachsen nahezu ausschließlich elektrische Motoren verwendet, die in ihrer Drehzahl geregelt werden (s. Kap. 11). In Vorschubachsen werden diese auch als Servomotoren bezeichnet.

Messsysteme für die Erfassung von Positionen oder Winkeln bestimmen durch ihren erheblichen Einfluss auf die Positioniergenauigkeit und auf die Dynamik der Vorschubantriebssysteme ganz wesentlich die erzielbare Fertigungsqualität.

Werkzeuge und noch vielmehr Werkstücke können die unterschiedlichsten geometrischen Formen annehmen, entsprechend vielfältig sind die werkzeug bzw. werkstücktragenden Spannmittel. Für ein effizientes Wechseln der Werkzeuge und Werkstücke müssen seitens der Maschine (Hauptspindel, Tisch, Schlitten) genormte Schnittstellen für die Aufnahme der Spannmittel bereitgestellt werden.

In direkter Nähe zu den Spannmitteln wird der Bearbeitungsprozess zwischen Werkzeug und Werkstück realisiert. Folglich wirken alle Prozess-größen unmittelbar auf die Spannmittel ein.

Moderne Produktion wäre ohne automatische Steuerungen undenkbar. Neben Werkzeugmaschinen müssen weitere Produktionsmaschinen wie Roboter, Fördereinrichtungen, Montageautomaten, Verpackungsmaschinen, etc. automatisch gesteuert werden. Der Umsatz mit Schaltgeräten, anlagen und Industriesteuerungen betrug lt. dem Branchenverband ZVEI allein in Deutschland im Jahr 2011 19,4 Mrd. €. Werkzeugmaschi-nenhersteller sind neben der Nahrungsmittel und Tabakindustrie sowie der Verpackungsindustrie weltweit die wichtigsten Abnehmer für Industriesteuerungen.

Die Bearbeitung von Werkstücken in einer CNC-Werkzeugmaschine erfolgt über ein zugehöriges NC-Programm, dass in seinen Programmzeilen – den sog. NC-Sätzen – sowohl Informationen über die Bewegung des Werkzeugs als auch weitere Technologie und Schaltbefehle für den Be arbeitungsprozess enthält. Zur Erstellung dieser Programme werden unterschiedliche Methoden und Verfahren eingesetzt, die sich in ihrer Komplexität und bzgl. der eingesetzten Softwaresysteme z. T. erheblich unterscheiden.

Umformmaschinen sind Werkzeugmaschinen für die spanlose Formge bung, d. h. die Herstellung und Bearbeitung von Werkstücken und Bauteilen durch umformende Fertigungsverfahren.Das Produktspektrum reicht dabei von tonnenschweren Schmiedestücken bis hin zu Präzisionsziehteilen im Millimetermaßstab.

Hämmer sind Umformmaschinen, die ausschließlich in der Warmmassiv-umformung eingesetzt werden und sowohl für das Freiform als auch das Gesenkschmieden von Bauteilen wie Zahnräder, Hebel, Pleuelstangen, Kurbelwellen, Achszapfen und Turbinenwellen Anwendung finden.

Schwungrad-Spindelpressen sind arbeitsgebundene Pressmaschinen, die bezogen auf Bauart und spezifische Baugruppen im Gegensatz zu den Hämmern den mechanischen Pressen sehr ähnlich sind. An die Stelle des Hammerbären tritt ein Stößel, der über einen Spindeltrieb mit dem Schwungrad verbunden ist. Das Arbeitsvermögen wird hier somit durch die Drehzahl und die Masse bzw. Abmessungen des Schwungrads bestimmt.

Mechanische Pressen sind weggebundene Umformmaschinen, d. h. durch die Kinematik des Kurbel- oder Exzenterantriebs sind der Weg des Pressenstößels (Hub) und damit auch Beginn und Ende eines Umform-prozesses festgelegt. Wie bei Hämmern und Spindelpressen ist hierfür ein bestimmtes Arbeitsvermögen erforderlich, das in diesem Fall in einem Schwungrad gespeichert ist. Im Gegensatz zum Hammer wird diese Energie beim Arbeitshub nicht vollständig, sondern nur teilweise in Umformarbeit umgesetzt, um eine Überlastung des Antriebsmotors zu vermeiden [21.1].

Im Gegensatz zu Mehrstufenpressen mit überwiegend axial, d. h. in Längsrichtung der Werkstückachse erfolgenden Stauch und Fließpress-prozessen ist der Umformvorgang in Rundknetmaschinen durch radiales Stauchen des Werkstücks gekennzeichnet (Bild 22.1). Die Maschinen können je nach Anforderung im Durchlaufverfahren (mit Vorschub) oder im Einstechverfahren (ohne Vorschub) betrieben werden.

Hydraulische Pressen gehören zu den kraftgebundenen Pressmaschinen.Im Gegensatz zu mechanischen Pressen und Spindelpressen ist im Allgemeinen kein Energiespeicher vorhanden, d. h. die gesamte Leistung der Maschine muss bei der Umformung zur Verfügung stehen. Hierzu sind geeignete Hydraulikaggregate installiert, die über Antriebsmotor, Förderpumpen und Ventilsteuerung das Drucköl zu den Arbeitszylindern führen. Man unterscheidet grundsätzlich zwei Antriebsarten: ■ Direktantrieb: der Ölstrom wirkt direkt auf die Kolbenfläche des Arbeitszylinders ■ Druckspeicherantrieb: die Pumpen fördern das Öl in einen Hoch-druckspeicher, aus dem nach Bedarf über Steuerventile Drucköl entnommen wird

Als Ziehmaschinen wird eine Gruppe von umformenden Werkzeug-maschinen bezeichnet, die für Durchziehverfahren eingesetzt werden. Durchziehen ist nach DIN 8584 T1 [24.1] Zugdruckumformen eines Werkstücks, wobei die formgebende Werkzeugöffnung in Ziehrichtung verengt ist. Man unterscheidet weiter in Gleitzieh und Walzziehverfahren zur Fertigung von Voll- oder Hohlkörpern (z. B. Draht, Stäbe, Profile und Rohre).

Für die wirtschaftliche Fertigung von Endlosprodukten wie Bändern, Rohren, Profilen und Drähten werden Walzanlagen für die Fließgutfertigung eingesetzt. Walzmaschinen besonderer Bauart haben sich auch bei der Herstellung bzw. Bearbeitung von Stückgut bewährt.

Die Bearbeitung von Blechtafeln (Platinen), Zuschnitten, Rohren oder Profilen durch Biegen erfordert durch die wachsende Komplexität der Biegeteile in zunehmendem Maße programmierbare CNCgesteuerte Maschinen und Anlagen bzw. Bearbeitungszentren. Grundsätzlich wird – auch bei manuell oder automatisch gesteuerten Fertigungseinrichtungen – nach der Kinematik unterschieden in: ■ Biegen mit geradliniger Werkzeugbewegung (z. B. Gesenkbiegen, Abkanten, Rollbiegen) ■ Biegen mit drehender Werkzeugbewegung (z. B. Schwenkbiegen, Rundbiegen, Walzprofilieren)

Die Technologien der Untergruppe Zerteilen gehören nach DIN 8580 zur dritten Hauptgruppe der Fertigungsverfahren (Trennen). Sie sind als spanlose Verfahren sehr häufig mit umformenden Fertigungsverfahren in der Produktion verbunden. Dies wird durch folgende Beispiele verdeutlicht: ■ Platinen für die Herstellung von Karosserieteilen wie z. B. Kotflügel und Türen werden aus Halbzeugen (Blechtafeln, Kaltband) ausgestanzt. ■ Nach dem Umformen durch Tief oder Streckziehen erfolgt ein Beschnitt des Ziehteils, überschüssiges Material wird abgetrennt. ■ Lochen ist ein häufig angewandter Arbeitsgang beim Kaltfließpressen, Gesenkschmieden und in der Blechverarbeitung. ■ Bei der Herstellung von Schrauben werden zur Erzeugung bestimmter Kopfgeometrien Abgratwerkzeuge eingesetzt. ■ Durch Innenhochdruck umgeformte Werkstücke können im geschlossenen Werkzeug gelocht bzw. mit Durchbrüchen versehen werden.

Scheren sind Maschinen für das Zerteilen von Halbzeugen, Vorformen und Bauteilen der Blech- und Massivumformung nach dem Prinzip des Scherschneidens. Beispiele für solche Schneidprozesse sind: ■ Abschneiden von Blechtafeln, Bändern (Coil), Rohren, Drähten und Profilen ■ Abschneiden des überflüssigen Materials an den Rändern fließge-presster oder tiefgezogener Teile ■ Zerteilen von Bändern längs zur Walzrichtung in Blechstreifen ■ Ausschneiden gekrümmter Konturen oder von Ronden aus Blechtafeln

Insbesondere in der Blechbearbeitung sind Maschinen und Anlagen zur flexiblen Fertigung von Formteilen durch Schneiden und Stanzen unabdingbar. Während Scheren vorwiegend zur Halbzeug und Vormaterial-fertigung eingesetzt werden, erfolgt die Herstellung von komplexen Blechbauteilen durch Schneid/Stanzoperationen auf geeigneten Pressen oder pressenähnlichen Stanzmaschinen mit Schiebetischen. Grundsätzlich unterscheidet man hierbei folgende Bauformen: ■ Mechanische Schneid- und Stanzpressen ■ Hydraulische Schneid- und Stanzpressen ■ CNC-Stanzmaschinen

Das Schneiden von Materialien mit Laser oder Plasmaschneidanlagen sind wirtschaftliche Verfahren, die in der Fertigung eingesetzt werden. Das Anlagenspektrum umfasst sowohl die 2D als auch 3D-Bearbeitung von Feinblechen und Grobblechen.

Wasserstrahlschneidanlagen arbeiten nach dem Prinzip des Abtragens mittels Hochdruckwasserstrahl und zählen damit nicht zu den hier behandelten Maschinen der zerteilenden Fertigung. Das Verfahren steht jedoch im Wettbewerb mit anderen Schneidverfahren, sodass nachfolgend Funktionsprinzip, Aufbau und Einsatzgebiete dieser Anlagen dargestellt werden.

Drehmaschinen sind Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von in der Regel rotationssymmetrischen Werkstücken mit spanenden Fertigungs-verfahren. Die Schnittbewegung erfolgt durch die Rotation des Werkstücks. Durch das Verfahren der Werkzeuge mit dem Bettschlitten entstehen die Vorschubbewegungen. Als Fertigungsverfahren sind Drehen, Bohren, Fräsen und weitere je nach Ausstattung der Drehmaschinen nutzbar, um die unterschiedlichsten Werkstücke herzustellen.

MehrspindelDrehautomaten sind CNC-gesteuerte Drehmaschinen mit mehreren Arbeitsspindeln, in denen die einzelnen Arbeitsschritte an mehreren Werkstücken gleichzeitig durchgeführt werden.

Flachbettdrehmaschinen mit horizontal angeordneten Bettbahnen und waagerechter Werkstückachse werden für Werkstücke mit mehr als 800 mm Umlaufdurchmesser eingesetzt. Diese Bauform führt zu hohen Steifigkeiten der Maschine, die für die hohen Werkstückgewichte und Bearbeitungskräfte erforderlich sind. Die Abmessungen der Werkstücke mit 2500 mm Durchmesser bei Längen bis zu 20 m können Werkstück-gewichte von mehr als 150 t ergeben.

Die Komplettbearbeitung von rotationssymmetrischen Werkstücken mit großen Längen und Durchmessern reduziert die Durchlaufzeit und erhöht die Genauigkeit der Werkstücke durch weniger Aufspannungen. Daraus ergeben sich ähnliche Vorteile wie bei der Komplettbearbeitung kleiner Drehteile. Drehbearbeitungszentren für Großteile sind kundenspezifisch anzubieten, um die Anforderungen der Werkstückfertigung zu erfüllen.

Bohrmaschinen in der Metallbearbeitung werden eingesetzt, um Bohrungen, je nach technischer Anforderung, in den gewünschten Qualitäten zu erzeugen. Die zum Einsatz kommenden Bohrwerkzeuge und Spannvorrichtungen sind für jede spezifische Aufgabe entsprechend auszuwählen. Bearbeitungszentren sind CNC gesteuerte Werkzeugmaschinen, mit einem Werkzeugspeicher und automatischen Werkzeugwechsel. Die Wirtschaftlichkeit liegt auch in der Hybrid und Mehrseitenbearbeitung. Bevorzugt wird die Fertigung in nur einer oder zwei Aufspannungen. Automatisierungen mit Palettensystemen und Werkstückwechseleinrichtungen kommen immer häufiger zum Einsatz.

Tiefbohrmaschinen sind Werkzeugmaschinen, um Bohrungen herzustellen, deren Verhältnis zwischen Bohrtiefe und Bohrdurchmesser in der Regel größer als 10 ist. Erfahrungswerte für das Tiefbohren sind in VDI-Richtlinien enthalten.

Das Fertigungsverfahren Tiefbohren wurde in dem vorherigen Abschnitt bereits erläutert. Hier sollen die erforderlichen Ergänzungen folgen. Für die Herstellung von Bohrungen von 20 bis 1800 mm Durchmesser bei Bohrtiefen bis zu 20 000 mm in Werkstücke mit Gewichten bis zu 200 t sollen wichtige Verfahren und Bedingungen anhand von ausgeführten CNC-Hochleistungs-Tiefbohrmaschinen vorgestellt werden.

Fräsen ist ein spanendes Fertigungsverfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden. Die meist mehrzahnigen Werkzeuge führen eine kreisförmige Schnittbewegung aus. Die Vorschubbewegung ist senkrecht oder schräg zur Drehachse des Fräsers gerichtet. Dadurch können beliebig geformte Werkstückflächen bis auf wenige Ausnahmen erzeugt werden.

Universalfräsmaschinen sind flexibel für vielseitige Bearbeitungen einsetzbar.Sie sind i. d. R. fünfachsig, bieten gute Zugänglichkeit und Automatisier-barkeit und werden in der Klein- bis Mittelserienfertigung eingesetzt.

Bearbeitungszentren sind Maschinen, die für einen automatisierten Betrieb in der Serienfertigung eingesetzt werden. Zur Vermeidung von Rüstzeiten verfügen sie deshalb häufig über einen Palettenwechsler, der ggfs. auch an eine automatische Werkstückbeladung angebunden ist. Entsprechend der Anordnung der Arbeitsspindel, wird zwischen Horizontalbearbeitungszentren (HBZ) und Vertikalbearbeitungszentren (VBZ) unterschieden.

Die Bearbeitung von großen Werkstücken mit hohem Werkstückgewicht erfolgt häufig auf Maschinen in Portalbauweise. Dabei können neben dem Fräsen auch alle weiteren spanabhebenden Fertigungsverfahren wie Drehen, Bohren, Gewinden oder Schleifen in das Maschinensystem integriert werden. Die sogenannte Komplettbearbeitung ermöglicht bessere Qualitäten und weniger Rüstvorgänge, was besonders bei diesen hohen Werkstückgewichten (bis 400 Tonnen und mehr) Fertigungskosten spart.

CNCBohr-/Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren sind Werkzeugmaschinen, die sehr viele Anforderungen in der Fertigung erfüllen müssen. Eine Klärung der Begriffe und die besonderen Anforderungen und Eigenschaften dieser Werkzeugmaschinen werden vorgestellt.

Räummaschinen werden vorwiegend in der Serien- und Massenfertigung eingesetzt und arbeiten mit mehrzahnigen Werkzeugen zur Herstellung von Innen und Außenprofilen in einem Arbeitshub.

Sägemaschinen sind zum Trennen von Materialien einzusetzen. Das Material wird mit kreisförmiger, gerader oder bogenförmiger Schnittbewegung mit einem vielzahnigen Werkzeug von kleiner Schnittbreite zerspant.

Rundschleifmaschinen werden für die Bearbeitung von zylindrischen Werkstücken eingesetzt. Eine Komponente der Vorschubbewegung erfolgt durch das rotierende Werkstück. In Längs- und/oder Radialrichtung wirken die zweite Vorschubbewegung und die Zustellung des Werkstücks.

Umfangsplan und Profilschleif-maschinen sind allgemein als Flachschleif maschinen bekannt, da sie zum Erzeugen von Flächen oder Profilen durch Schleifen eingesetzt werden.

Honmaschinen sind einzusetzen, um sehr kleine Toleranzen für Maß und Form wirtschaftlich herzustellen. Für unterschiedliche Werkstückflächen und Fertigungsaufgaben gibt es Honmaschinen, die in den folgenden Abschnitten vorgestellt werden.