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Drehen - Drehen Bearbeitung

Langdrehautomaten

Schlanke Drehteile genau und kostengünstig fertigen

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 243 – 246

Wellen, Achsen und Schrauben für die Uhrenindustrie, aber auch schlanke Werkstücke für die Medizintechnik, zum Beispiel Knochenschrauben produziert man in großen Serien wirtschaftlich und bei hoher Genauigkeit auf Langdrehautomaten. Von der Stange produzieren diese Drehmaschine nahezu bedienerlos Bauteile bis etwa 32 mm Durchmesser.

Hochproduktiv fertigen ohne Bediener

Bei der Drehbearbeitung ist die Eigenstabilität der Werkstücke für die Qualität von entscheidender Bedeutung. Die Herstellung von Werkstücken, bei denen die Länge einem Vielfachen des Durchmessers entspricht, bedingt deshalb ein spezielles Verfahren, wenn man diese nicht durch eine Gegenspitze und ggf. einer oder mehrerer Lünetten abstützen will. Kennzeichen dieses sogenannten Langdrehverfahrens ist es, dass die Materialstange zwar wie bei einem Stangenautomaten in der Hauptspindel gespannt wird, dann jedoch mittels einer Längsbewegung der Hauptspindel in den Arbeitsraum vorgeschoben werden kann. Die Materialstange wird dazu zusätzlich in einer sogenannten Führungsbuchse spielfrei geführt, die ortsfest ist und in deren unmittelbaren Nähe Bearbeitungswerkzeuge angeordnet sind. Dieses Verfahren ermöglicht es, die Materialstange praktisch an den Werkzeugen entlang zu bewegen. Der Abstand zwischen Führungsbuchse und Werkzeugen ist dabei möglichst gering zu halten, damit die Eigenstabilität auch bei filigranen Werkstücken ausreichend zur Aufnahme der Bearbeitungskräfte ist. Das Langdrehen kommt für Materialdurchmesser bis etwa 32 mm zur Anwendung, vor allem jedoch im kleinen Durchmesserbereich bis 20 mm. Hier sind überwiegend Langdrehmaschinen im Einsatz. Der Langdrehautomat eignet sich auch für Bearbeitung kurzer Werkstücke. Zum einen lassen sich infolge hoher Drehzahlen sehr günstige Schnittgeschwindigkeiten verwirklichen, zum anderen kann bei kurzen Werkstücken unter Verzicht auf die Führungsbuchse auch direkt am Spindelstock gearbeitet werden.

Abb. 5.164: Langdrehverfahren a Hauptspindel, b Werkstoffstange, c Führungsbuchse, d Schneidwerkzeug

Abb. 5.164: Langdrehverfahren a Hauptspindel, b Werkstoffstange, c Führungsbuchse, d Schneidwerkzeug

Von der mechanischen zur CNC-Steuerung

Das Langdrehen ist ein lange bekanntes Prinzip. Ursprünglich in der Schweiz für die Herstellung von Uhrenteilen entwickelt (daher auch die englische Bezeichnung Swiss Automatic Screw Machine), wurde die erste Maschine 1860 urkundlich erwähnt. Kurvengesteuerte Langdreher laufen noch in großen Stückzahlen in den Drehereien. Da diese Maschinen fast ausschließlich mit Schneidöl betrieben werden, sind sie nahezu unverwüstlich. Zudem bieten viele Firmen preiswertes Retrofit an. Das Neumaschinenangebot besteht allerdings nahezu ausschließlich aus CNC-gesteuerten Maschinen. Deshalb wird auf diese Ausführung im folgenden detailliert eingegangen.

Die wirtschaftliche Bearbeitung von Werkstücken über den genannten Durchmesserbereich erfordert mehrere Maschinengrößen mit abgestuftem Durchmesserbereich. Die Herstellung eines Werkstücks kann nur dann mit optimaler Produktivität und hoher Genauigkeit erfolgen, wenn die Maschinenauslegung zu den Werkstückabmessungen im richtigen Verhältnis steht. Die Platzierung aller eingesetzten Werkzeuge möglichst nahe der Führungsbuchse spielt hierbei eine zentrale Rolle. Zudem müssen kleinere Werkstücke im Allgemeinen zu geringeren Kosten produziert werden, was sich zwangsläufig in den Maschinengrößen ausdrückt. Zum Teil sind innerhalb einer Maschinengröße mehrere Spindeldurchmesser und entsprechend unterschiedliche maximale Spindeldrehzahlen realisiert. Ein komplettes LangdrehMaschinenprogramm besteht in der Regel aus zwei oder drei Maschinengrößen. Die Abstufung der Stangendurchmesser zu den einzelnen Maschinengrößen ist beispielhaft in Tabelle 5.5 dargestellt.

Tab. 5.5: Beispiel für Maschinengrößen eines LangdrehProduktprogramms

In der Regel beträgt die zugehörige Werkstücklänge das 10-fache des maximalen Stangendurchmessers, wobei nicht das Verfahren, sondern die Maschinenabmessungen hier die Grenze festlegen.

Komponenten bestimmen Einsatzbereich

Hauptspindel

Die Hauptspindel ist eine zentrale Komponente des Langdrehautomaten. Die Materialstange wird in der Hauptspindel gespannt und von ihr angetrieben. Entsprechend der Maschinengröße kommen Hauptspindeln unterschiedlicher Drehzahlen zum Einsatz. Eine typische Abstufung zeigt Tabelle 5.5.

Hauptspindeln werden entweder als Riemenspindel mit separatem Motor oder als Motorspindel mit integriertem Hohlwellenmotor ausgeführt. Die Vorteile der Riemenspindel sind robuster Aufbau und hohes Drehmoment. Die Motorspindel kommt für die anspruchsvolle Bearbeitung zum Einsatz, sie zeichnet sich durch kompakte Bauform, ruhigen Lauf, hohe Dynamik und hohe Drehzahl aus.

Führungsbuchsen

Die Führungsbuchse dient zur Führung der Materialstange. Führungsbuchsen arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien. Grundsätzlich unterscheidet man drei Grundprinzipien:

Feste Führungsbuchse

Dieses Prinzip stellt die einfachste Ausführung einer Führungsbuchse dar. Da sie über keine Lager verfügt, zeichnet sie sich durch eine hohe Steifigkeit und eine hohe Genauigkeit aus. Allerdings eignet sich dieses Prinzip nur für kleinste Stangendurchmesser.

Rollen-Führungsbuchse

Dieses Prinzip entspricht einem einstellbaren Nadellager und eignet sich nur für bestimmte Materialien.

Synchron angetriebene Führungsbuchse

Kennzeichen der synchron angetriebenen Führungsbuchse ist, dass sie von der Hauptspindel aus (auf unterschiedliche Weise) angetrieben wird und damit dieselbe Drehzahl aufweist. Innerhalb der synchron angetriebenen Führungsbuchsen unterscheidet man nach der Art der Führungsbuchsen-Einstellung in manuell oder automatisch einstellbare Führungsbuchsen. Bei der manuell einstellbaren Führungsbuchse wird eine Zange durch Verdrehen über ein Gewinde an die Stange angelegt. Automatisch einstellbare Führungsbuchsen arbeiten pneumatisch oder hydraulisch über Druckeinstellung. Solche Führungsbuchsen können auch aus dem NC-Programm heraus angesprochen werden. Bei größeren Stangendurchmessern hat sich in der Praxis gezeigt, dass ein Fliehkraftausgleich vorteilhaft ist.

Abb. 5.165: Synchron angetriebene Führungsbuchse mit Fliehkraftausgleich: 1 Führungsbuchse, 2 Fliehkraftausgleich

Abb. 5.165: Synchron angetriebene Führungsbuchse mit Fliehkraftausgleich: 1 Führungsbuchse, 2 Fliehkraftausgleich

Eine zu eng eingestellte Führungsbuchse verursacht höhere Verschiebekräfte, die Maße in Längsrichtung werden ungenauer. Eine zu weit eingestellte Führungsbuchse ist an ungenauen Durchmessermaßen, aber exakten Längenmaßen auszumachen. Nach wie vor sind manuell eingestellte Führungsbuchsen die kostengünstige Wahl. Das Aussortieren von Stangen nach Durchmessern oder das Abarbeiten einer Stangencharge sind unverändert Methoden, eine Produktion stabil einzustellen. Entscheidend für das Bearbeitungsergebnis sind die Stangenqualität und die Qualität der Führungsbuchse. In der Praxis liegt die Werkstückqualität eine IT-Stufe höher als die Stangenqualität, d. h. mit Stangenqualitäten IT7 können ohne besondere Maßnahmen Werkstücke in Qualität IT6 hergestellt werden.

Gegenspindel

Abb. 5.166: Gegenspindel im Arbeitsraum (GS)

Für die Bearbeitung von komplexen Werkstücken kommen Maschinen zum Einsatz, die mit Gegenspindel ausgerüstet sind. Die Gegenspindel verfügt ebenfalls über eine Längsbewegung und kann damit ein bearbeitetes Werkstück an der Hauptspindel abgreifen, um anschließend die Bearbeitung der Werkstückrückseite zu ermöglichen.

Werkzeugausrüstung

Die Produktivität eines Langdrehautomaten wird wesentlich dadurch bestimmt, wie viele Werkzeuge gleichzeitig zum Einsatz kommen können. Abgesehen von der Werkstückgeometrie wird dies durch die Art und Anordnung der Werkzeugträger bestimmt. Im Maximum arbeiten bis zu drei Werkzeuge gleichzeitig an der Hauptspindel und parallel dazu kann an einer Gegenspindel die Rückseite des Werkstückes bearbeitet werden. Langdrehautomaten verfügen dazu über eine breite Palette an Werkzeugträgern. Die Basisausführung sind lineare Werkzeugträger, die bis zu zehn Werkzeuge aufnehmen können. Eine Anwendung des linearen Werkzeugträgers ist der sogenannte Frontapparat. Er nimmt Werkzeuge zur axialen Bearbeitung der Frontseite eines Werkstückes auf. Diese Werkzeuge können auch angetrieben sein, um eine außermittige Bearbeitung zu ermöglichen.

Kombination aus Revolver und linear angeordneten Werkzeugen

Abb. 5.167: Simultane Bearbeitung an der Werkstückrückseite und an der Frontseite des Folgewerkstücks mit zwei Werkzeugen

Beim Einsatz einer Gegenspindel ist ein sogenannter Rückapparat analog einsetzbar. Werkzeugrevolver bieten gegenüber dem Linearwerkzeugträger mehr Werkzeuge und verfügen als Option über einen Werkzeugantrieb. Bei kleinen Maschinengrößen wird dieser als Summenantrieb ausgeführt, nur bei großen Langdrehautomaten auch als Einzelantrieb. Werkzeugrevolver kommen überwiegend an der Hauptspindel zum Einsatz. In Kombination mit einem zweiten, gegenüberliegenden Revolver ist ein sehr großer Werkzeugvorrat vorhanden. Lediglich die beiden aktiv geschalteten Werkzeuge sind hinsichtlich Kollision zu betrachten. Die inaktiv geschalteten Werkzeuge stören sich gegenseitig nicht. Im Markt hat sich als weitere Möglichkeit die Kombination eines Revolvers mit einem gegenüberliegenden linearen Werkzeugträger etabliert. In der Regel hat einer der beiden Werkzeugträger eine eigenständige Z-Achse, d. h. eine Bewegungsrichtung parallel zur Materialvorschubrichtung. Das schnelle Einrichten der Maschine und insbesondere Stückzeitoptimierungen werden durch den zusätzlichen Freiheitsgrad unterstützt.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 243 – 246
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