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Bohren - Bohren Maschinen

Feinbohrmaschinen

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 350-359

Feinbohren hat als Bearbeitungsverfahren für Komponenten von Verbrennungsmotoren große Bedeutung. Beschrieben werden dafür ausgelegte, wirtschaftliche und produktive Verfahren und Maschinen sowie in der Praxis bewährte ein- und mehrschneidige Werkzeuge mit festen und einstellbaren Schneiden.

Als Feinbohren bezeichnet man einen Arbeitsschritt in der Fertigung, der sehr kleine Maß-, Oberflächen-, Formund Lagetoleranzen in Bohrungen in unterschiedlichsten Werkstücken ermöglicht. Dieser Arbeitsschritt kommt meist am Ende des kompletten Fertigungsprozesses zur Anwendung.

Abb. 6.72: Hochproduktive 2-spindlige HPC-Maschinen (Typ Alfing AL 602) mit Linearmotorantrieb für die Bearbeitung von Zylinderköpfen, vier Maschinen parallel aufgebaut und mit Linearportal verkettet (Quelle: ALFING).

Werkstücke aus Stahl, Grauguss, Stahlguss, Aluminium, Buntmetallen und deren Legierungen sowie Sintermetalle werden feingebohrt. Schleifen als alternativer Bearbeitungsprozess kommt meist nicht in Betracht, sei es auf Grund der geforderten Geometrie (z. B. kleine Bohrungsdurchmesser) oder auch des geringeren Zeitspanvolumens. Durch mehrspindlige Bearbeitung kann die Produktivität beim Feinbohren weiter gesteigert werden. Feinbohrmaschinen werden in der Großserienfertigung entweder als Sondermaschinen ausgeführt (z. B. Pleuelbearbeitung) oder als Bearbeitungsstation in einer Transfermaschine. Alternativ dazu ist das Feinbohren heute auch auf sogenannten HPC-Maschinen (HPC: High-Perfor-mance-Cutting) möglich (z. B. Zylinderkopfbearbeitung). In der Einzel- oder Kleinserienfertigung ist das Feinbohren zwischenzeitlich eine Arbeitsfolge der Komplettbearbeitung auf Bearbeitungszentren geworden. Universal-Feindrehmaschinen werden heute nicht mehr angeboten.

Abb. 6.73: Innenraum einer HPC-Maschine Typ Alfing AS 602: 2-spindlige Feinbohr-bearbeitung der Ventilsitze und Ventilbohrungen. Spindelabstand 600 mm, unabhängige Z-Achsen (Quelle: ALFING).

Maschinenaufbau

Generell müssen Maschinen für Feinbearbeitung folgenden Anforderungen genügen:

  • Hohe statische Steifigkeit
  • hohe dynamische Steifigkeit
  • geringste Schwingungsneigung
  • hohe Dämpfung
  • hohe Gleichförmigkeit der Bewegungen
  • minimaler Temperaturgang
  • sehr gutes Positionierverhalten
  • hohe Rundlaufgenauigkeit der Spindel(n).

Voraussetzung für eine hohe statische Steifigkeit einer Feinbohrmaschine ist die anforderungsgerechte Konstruktion des Maschinenbetts. Es muss die hohen Gewichte der Maschinenkomponenten aufnehmen, es trägt die Führungselemente der beweglichen Schlitten sowie das Werkstück in der Spannvorrichtung und muß hohe dynamische Kräfte aufnehmen können. Eine FEM-berechnete, verrippte Struktur des Maschinenbettes wird diesen Anforderungen gerecht. Die geforderte dynamische Steifigkeit und ein gutes Dämpfungsverhalten wird am besten durch den Einsatz von Grauguss, Polymerbeton bzw. Verbundkonstruktion (Stahl/Beton) erreicht.

Dämpfende Fundamente

Sehr wichtig ist auch die Fundamentgestaltung. Fremdschwingungen jeglicher Art müssen von einer Feinbohrmaschine ferngehalten werden, da sie unter Umständen Eigenschwingungen hervorrufen, die das Bearbeitungsergebnis beeinflussen. Bei den Führungselementen wurden Gleitführungen jeglicher Art, auch hydrostatische Führungen, mittlerweile durch rollengelagerte Führungen, meist Profilschienenführungen, ersetzt. Die Führungswagen sind durch eine sehr enge Tolerierung der Profilschiene angepasst und zeichnen sich durch hohe Belastungsfähigkeit und hohe Steifigkeit aus.

Abb. 6.74: Profilschienenführung (Quelle: INA).

Eine großzügige Dimensionierung der Profilschienenführung, verbunden mit höchster Vorspannklasse und höchster Genauigkeitsklasse, ist notwendig. Die Führungswagen selbst sollten so weit wie möglich voneinander entfernt sein, damit keine Kippeffekte auf die Schlitten kommen. Es müssen mehr als zwei Führungswagen pro Schiene zum Einsatz kommen, ggf. werden zusätzliche Dämpfungswagen zwischen die Führungswagen gebaut. Die meisten Vorschubschlitten werden über Kugelgewindetriebe bewegt. Der Feinbohrprozess verlangt geschliffene Spindeln und hoch vorgespannte Doppelmuttern (Kugelumlaufmuttern) mit hohen Tragzahlen, damit ein gleichförmiger Lauf erreicht wird und längerfristig keine Positionierprobleme entstehen. Die Spindeln der Kugelgewindetriebe werden über NC-Servomotoren angetrieben, sie sind in steifen Axial-Radial-Lagern im Grundkörper gelagert.

In jüngster Zeit werden in HPC-Maschinen als Antriebe vermehrt Linearmotoren eingesetzt, insbesondere bei Leichtmetall-(Aluminium-)Bearbeitung. Diese sind hochdynamisch mit Eilgangsgeschwindigkeiten > 100 m/min, komplett wartungsfrei und verlieren während der gesamten Einsatzdauer nicht an Genauigkeit auf Grund von Verschleiß. Falls eine genaue Positionierung der Feinbearbeitung verlangt wird (< 0,05 mm), müssen separate Meßsysteme in den Bewegungsachsen eingesetzt werden.

Abb. 6.75: Linearmotoren (Quelle: Siemens)

Diese gewährleisten eine exakte Wiederholgenauigkeit unabhängig vom Wärmewachstum der Kugelgewindetriebe (üblich 0,01 mm und kleiner).

Temperaturgang minimieren

Das Temperaturverhalten einer Feinbohrmaschine wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst. Die für den Maschinenhersteller günstigste Variante, eine klimatisierte Halle, wird von den meisten Kunden aus Kostengründen abgelehnt. Dabei sind in den Werkhallen durchaus Temperaturschwankungen von 15° und mehr anzutreffen. Schon im untenliegenden Maschinenbett können zur Minimierung des Temperaturgangs Kühlkörper eingebaut werden, die von einem Medium mit konstanter Temperatur durchflossen werden. In diesen Kühlkreislauf werden dann weitere Wärme erzeugende Elemente, wie z. B. Linearmotoren, Torquemotoren, Hauptspindeln (s. u.), Hydraulikaggregate etc. eingebunden. Die Temperatur dieses Kühlkreislaufs muss auf ein bis zwei Grad konstant gehalten werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass in die Maschine diverse Temperatursensoren eingebaut werden. Diese messen die Temperaturen der einzelnen Maschinenkomponenten und die NC-Steuerung greift im Betrieb auf Kompensationswerte zurück, die in der Inbetriebnahmephase als Korrekturwerte in der NC-Programmierung eingerechnet wurden. Falls diese Maßnahmen für die geforderte Genauigkeit nicht ausreichen, müssen Messeinrichtungen eingebaut werden, die direkt zwischen Werkstück/Spannvorrichtung und Spindelvorderseite messen. Dadurch können alle Verfahrachsen absolut kompensiert werden.

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Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 350-359
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