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Drehen - Drehen Bearbeitung

Ein- und Mehrspindel-Drehautomaten

Werkstücke von der Stange schnell komplett bearbeiten

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 228 – 230

Zahlreiche Bauteile unter anderem für den Fahrzeugbau, für Haus- und Elektrogeräte müssen in großen Stückzahlen besonders wirtschaftlich gefertigt werden. Dafür eignen sich hochproduktive Drehmaschinen, die sämtliche Handling- und Bearbeitungsabläufe in schneller Folge selbsttätig ausführen.

Hochproduktiv fertigen ohne Bediener

Als Automat (griechisch: Selbstbeweger) wird eine mechanische Einrichtung bezeichnet, die eine Funktion selbsttätig und zwangsläufig ausführt. Im Bereich der Drehmaschinen war der Begriff Drehautomat in der Zeit vor der Einführung numerischer Steuerungen eindeutig definiert und konnte klar von den handbedienten Maschinen abgegrenzt werden. Als Automaten sind Maschinen bezeichnet worden, die sich dadurch auszeichnen, dass sämtliche Funktionen, angefangen bei der Materialzuführung über die Werkstückspannung, die Drehzahleinstellung und andere Schaltfunktionen, die Einleitung der Vorschubbewegung, teilweise bis hin zur Abführung des Fertigteils selbsttätig ablaufen. Die Steuerung übernehmen dabei mechanische, elektromechanische, hydraulische, teilweise auch pneumatische Elemente.

Bei der Einführung der numerischen Steuerungen (NC) lag der Schwerpunkt zunächst in der Geometrieerzeugung, also der Bewegungsführung der Vorschubachsen. Bald wurden bei den Drehmaschinen aber auch Schaltfunktionen wie Revolver- und Getriebeschaltung und insbesondere bei Maschinen, die von der Werkstoffstange arbeiten, auch Werkstoffspannung und -vorschub über die NC automatisiert. So konnten jetzt auch diese Maschinen über einen längeren Zeitraum, zumindest in den Grenzen, die durch Werkzeugstandzeiten und Materialvorrat vorgegeben sind, ohne Bedienereingriff selbsttätig produzieren. Deshalb müssten streng genommen eigentlich auch alle derartig automatisierten numerisch gesteuerten Drehmaschinen unter den Begriff Drehautomat fallen. In der heutigen Praxis sind die Begriffsgrenzen jedoch fließend, im Besonderen auch dadurch geprägt, dass viele Hersteller dazu übergegangen sind, auf ein und derselben Plattform sowohl funktional einfache als auch sehr komplexe Maschinen im Sinne einer modularen Baukastenstruktur darzustellen, wobei der Baukasten sich durchaus auch auf die unterschiedliche Ausprägung der Materialhandhabung und den Automatisierungsgrad der Werkzeugversorgung erstreckt. Die Hersteller von Drehmaschinen unterscheiden in ihren Veröffentlichungen häufig zwischen Drehmaschinen, z. B. Universaldrehmaschinen, Drehzentren etc. und Drehautomaten. Als eindeutiges Kriterium für die Bezeichnung Drehautomat erscheint dabei vor allem die Möglichkeit, mehr als zwei Werkzeuge gleichzeitig in nebenläufigen Prozessen zum Einsatz zu bringen.

Entwicklung von Nachfrage getrieben

Abb. 5.130: Einspindeldrehautomat Baujahr 1914

Drehautomaten wurden erstmals in der zweiten Hälfte des 19ten Jahrhunderts vor allem in den USA entwickelt und eingesetzt. In dieser Zeit stieg durch den großen Binnenmarkt bei der amerikanischen Industrie die Nachfrage nach Teilen immens. Werkstücke, die mit Drehautomaten bearbeitet wurden, waren zunächst vor allem Schrauben. Im angelsächsischen Sprachraum wird daher der Drehautomat heute noch als „screw maschine“ bezeichnet. Insbesondere die Waffen-, Uhren- und Nähmaschinenindustrie benötigten immer mehr Drehteile. Später kamen dann die Schreibmaschinen-, Armaturen-, Kugellager-, Fahrrad-, Elektromotoren- und nicht zuletzt die Kraftfahrzeugindustrie hinzu (Ruby 1995). Kurz vor dem ersten Weltkrieg wurden dann auch in Deutschland die ersten eigenen Drehautomaten entwickelt und gebaut (Abb. 5.130). Zu sehen ist eine solche Maschine aus dem Jahr 1914.

Kennzeichnend ist der Revolver mit sechs Werkzeugen und zwei Schlitten zur Querbearbeitung. Im Bild gut zu erkennen ist auch die Steuerwelle mit den für die Vorschubbewegung zuständigen Kurvenscheiben und eine Nockenscheibe zur Auslösung von Schaltfunktionen. Angetrieben wurde diese Maschine noch über einen Transmissionsriemen, wie die Riemenscheibe zeigt. Die einzelnen Schlittenbewegungen kurvengesteuerter Automaten verlaufen eindimensional, die Achsrichtung des Revolverschlittens in Richtung der Spindelachse, die der Querschlitten im 90°-Winkel dazu. Konturen, die auf dem Werkstück erzeugt werden sollen, müssen daher in der Gestalt von Formwerkzeugen abgelegt sein. Die Stangenführung übernimmt in der Regel ein einfaches Rohr, das in jüngeren Ausführungen zur Beherrschung höherer Drehzahlen und zur besseren Dämpfung mit Wellfedern ausgekleidet wird. Es kommen Stangenlängen von 3 m bis zu 6 m zum Einsatz.

Abb. 5.131: Einspindel-Revolverdrehautomat

Abb. 5.131: Einspindel-Revolverdrehautomat

Solche kurvengesteuerte, einspindlige Automaten wurden in Mitteleuropa bis in die 1980er Jahre hergestellt (Abb. 5.131). Zu sehen ist beispielhaft ein Automat aus der letzten Generation der kurvengesteuerten Einspindler. Da diese Maschinen überwiegend stangenförmigen Werkstoff verarbeiten, wurden sie in verschiedenen Baugrößen hergestellt, die sich im Wesentlichen auf den maximalen Werkstoffdurchmesser bezogen, der durch die Arbeitsspindel zugeführt werden kann. Beherrschbare Stangendurchmesser liegen dabei zwischen 2 und 60 mm; in seltenen Ausnahmefällen, z. B. für Rohrmaterial, wurden auch Maschinen bis 80 mm Spindeldurchlass gebaut.

Produktiver durch größere Anzahl Werkzeuge

Um die Produktivität weiter zu steigern und die Zahl der einsetzbaren Werkzeuge zu erhöhen, wurde bald die Zahl der Querschlitten auf drei, später, wie bei der dargestellten Maschine sichtbar, auf vier erhöht. Ebenso wurde der Riementrieb durch einen angeflanschten Elektromotor ersetzt. Zahlreiche Zusatzeinrichtungen erweitern die Funktionalität des Drehautomaten über das reine Einstechen, stirnseitiges Bohren und das Abstechen hinaus. Dazu zählen insbesondere Gewindestrehl- und Längsdreheinrichtungen, Einrichtungen zum Stoßen, Gewindefräsen und Mehrkantdrehen. Durch Einrichtungen zum Stillsetzen der Hauptspindel werden Arbeiten am stehenden Werkstück wie Querbohren oder Schlitzfräsen ermöglicht. Um auch die Abstichseite der Drehteile bearbeiten zu können, werden Greifeinrichtungen eingesetzt, die das Drehteil kurz vor dem vollständigen Abstechen aufnehmen und einer oder mehreren Rückseitenbearbeitungseinheiten zuführen. Damit sind nur einige der wichtigsten Einrichtungen genannt, die mit dem Ziel, ein Drehteil möglichst komplett auf einer Maschine bearbeiten zu können, entwickelt wurden. Die Anforderungen an die Produktion von Drehteilen änderte sich in den letzten zwei Jahrzehnten des zwanzigsten Jahrhunderts zumindest in den Industrieländern deutlich. Hier sind zum einen die Qualitätsanforderungen zu nennen. Waren vorher übliche Toleranzen im Bereich von ± 0,1 mm noch zu einer Größenordnung von 70 % ausnutzbar, erfordern die heute üblichen statistische Methoden (Stichwort SPC, statistical process control) und die allgemein gestiegenen Genauigkeitsanforderungen Maschinen, die in der Lage sind, rund eine Zehnerpotenz genauer zu fertigen als dies die mechanischen Automaten erlauben. Darüber hinaus sind die Erwartungen an die sogenannte optische Qualität deutlich gestiegen, die sich häufig durch die Einschränkungen mechanischer Automaten nicht realisieren lassen. Zum anderen ergaben sich auf der Materialseite große Veränderungen. Wurden früher vielfach in der Massenproduktion aus Gründen der einfachen Zerspanbarkeit z. B. spezielle Automatenstähle oder bleihaltiges Messing eingesetzt, wird heute vielfach die Bearbeitung hochlegierter Stähle oder wegen gesetzlicher Vorschriften bleifreies Messing verlangt. Nicht zuletzt, bedingt durch die fest einzustellende, invariable und damit kompromissbehaftete Spindeldrehzahl, ist die Optimierung der hierfür nötigen Schnittparameter auf herkömmlichen Automaten äußerst schwierig, oft auch gar nicht mehr möglich.

Völlig neue Konzepte mit zwei Arbeitsspindeln ab den 1990er Jahren

Abb. 5.132: CNC-Revolverdrehautomat

All dieses, aber auch die sinkenden Losgrößen, hervorgerufen durch die Forderungen nach Minimierung der Lagerhaltung und Just-in-time-Fertigung, verlangte nach neuen hochproduktiven Maschinen, die flexibler und einfacher zu handhaben sind. Versuche mit Maschinenkonzepten, bei denen die herkömmlichen Schlittenanordnungen beibehalten wurden und im Wesentlichen die Kurvensteuerung der Vorschubachsen durch hydraulische oder elektrische Servoantriebe ersetzt wurden, hatten in den 1980er Jahren nur kurzzeitigen Erfolg. Erst die völlige Neukonzeption auf Basis von Baugruppen, wie sie zwischenzeitlich in die CNC-Universaldrehmaschine Einzug gehalten hatten, brachten den Durchbruch am Markt. Hervorzuheben ist die Einführung der integrierten Motorspindel mit ihrer hohen Dynamik und vor allem der C-Achsfähigkeit. Solche CNC-Drehautomaten wurden zunächst mit zwei Revolvern und einer auf einem Revolver in einer der Werkzeugaufnahmen angeordneten Abgreifspindel ausgerüstet. Mit dem sogenannten elektronischen Getriebe lässt sich jetzt die Abgreifspindel während des Abstechens mit der Hauptspindel synchronisieren. Damit kann erstmals abgesichert ein butzenloses Abstechen durchgeführt werden. Mit Hilfe der Abgreifspindel und drei bis sechs oftmals fest am Maschinenkörper an gebrachten Werkzeugen lässt sich auch die Abstichseite des Teils bearbeiten. Die Weiterentwicklung führte dann zu Maschinen mit zwei vollwertigen Arbeitsspindeln und bis zu drei Werkzeugrevolvern (Abb. 5.132).

Abb. 5.133: CNC-Revolverdrehautomat, Arbeitsraum

Charakteristisch für derartige Maschinen ist das Bestreben, Nebenzeiten so weit wie möglich zu reduzieren. Voraussetzung hierfür sind sehr schnelle Revolverschaltungen und hohe Beschleunigungswerte der Achsen und Spindeln sowie die bereits angesprochene Fähigkeit, möglichst mehrere Werkzeuge gleichzeitig in Eingriff zu bringen (Abb. 5.133).


Mehrspindlige Drehautomaten fertigen Wersktücke parallel

Abb. 5.134: Mehrspindeldrehautomat Baujahr 1915

Eine ursprüngliche Zielsetzung für die Entwicklung von Mehrspindeldrehautomaten bestand darin, durch bauliche Vereinigung mehrerer Einspindeldrehautomaten eine Erhöhung der Mengenleistung zu erreichen (Spur 1970). Zunächst hatten solche Maschinen ortsfeste Werkstückträger, auf deren Werkstücke parallel identische Werkzeuge einwirkten. So wurden, zugeordnet zur Anzahl der Werkstückträger, gleichzeitig eine entsprechende Anzahl gleicher Werkstücke gefertigt. Durch die Beschränkung der Werkzeuganzahl ließen sich damit zwar Teile in sehr großen Stückzahlen, aber nur in sehr einfacher Gestalt bearbeiten. Dies änderte sich mit der Einführung der Weiterschaltung der Werkstückträger. Dabei sind in einer Trommel vier bis acht Werkstückspindeln konzentrisch angeordnet. Durch die Weiterschaltung dieser Trommel von einer Werkzeugträgerstation zur nächsten (Transferprinzip) wird die Zahl der möglichen Bearbeitungsschritte deutlich erhöht. Das Grundprinzip mit horizontaler Spindelachse (Abb. 5.134) hat sich bis heute bewährt und noch heute arbeiten die Mehrspindeldrehautomaten überwiegend nach diesem Prinzip. In der mehr als hundertjährigen Entwicklung kamen durchaus auch andere Ausführungsformen auf den Markt (Spur 1970; Weck 2005). Sie haben sich in der Anwendungspraxis aber nicht durchgesetzt und sollen deshalb hier nicht weiter betrachtet werden.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 228 – 230
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