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Drehen - Drehen Bearbeitung

Senkrechtdrehmaschinen

Automatisierung integriert

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 251 ff.

Serienteile für den Maschinen- und Fahrzeugbau, wie Zahnkränze, Getriebewellen, Kupplungs- und Bremsscheiben, Lamellenträger – sollen hochproduktiv, bedienerlos und doch flexibel in Varianten möglichst komplett bearbeitet werden. Dafür ausgelegt sind Senkrechtdrehmaschinen, in die Werkstückhandling und Qualitätssicherung integriert sind.

Vorteile moderner Antriebs- und Führungselemente sinnvoll nutzen

Die in diesem Kapitel betrachteten Senkrechtdrehmaschinen decken den Bearbeitungsbereich unterhalb der Karusselldrehmaschine ab. Senkrechtdrehmaschinen sind schon seit Jahrzehnten auf dem Markt, haben aber gerade in den letzten Jahren eine sehr innovative Entwicklung durchlaufen, sodass heute mit einem breiten Spektrum an Ausführungsvarianten eine Vielzahl von Anwendungsfällen abgedeckt werden kann. Die Konstruktionsprinzipien haben sich immer mehr hin zur Modulbauweise entwickelt. Module wie Kreuzschlitteneinheiten, Werkzeugträger, Hauptspindeln, Reitstöcke können relativ frei kombiniert werden, solange der definierte Leistungs- und Arbeitsbereich einer Maschinenbaureihe nicht verlassen wird. Die Modulbauweise ist möglich geworden, weil eine Hauptvoraussetzung hierfür immer besser realisiert werden konnte: die Schaffung von abgeschlossenen Baugruppen. Als besonderes Beispiel sei hier der Hauptspindelantrieb herausgegriffen. Während bei herkömmlichen und noch weit verbreiteten Drehmaschinen der Hauptantrieb aus einem Spindelstock, einem Hauptantriebsmotor und einem Riemen- oder Rädervorgelege besteht, gibt es heute die sogenannte Motorspindel, bei welcher der Rotor des Motors gleichzeitig die Funktion der Hauptspindel der Drehmaschine übernimmt und entsprechend gelagert ist (Abb. 5.177).

Abb. 5.177: Motorspindel (Quelle: Weiss)

Abb. 5.177: Motorspindel (Quelle: Weiss)

Demnach entfallen alle Zusatzaggregate und der Hauptantrieb kann komplett in einem Gehäuse untergebracht werden. Die Leistungsdichte moderner Drehstrom-Synchronantriebe hat sich stark verbessert. In kleinstem Bauvolumen sind gute Leistungen und Drehmomente erzielbar.

Dieser integrierte Hauptspindelantrieb kann nun sehr einfach in den verschiedensten Lagen angeordnet werden und findet selbstverständlich nicht nur in Senkrechtdrehmaschinen seine Anwendung. Der Einsatz von vorgespannten Wälzführungen eröffnet die Möglichkeit, Baugruppen, die verfahrbar gestaltet werden sollen, gleich mit einer Führung zu versehen. Unter Ausnutzung dieser Möglichkeiten haben sich grundsätzlich folgende Maschinentypen am Markt entwickelt: Senkrechtdrehmaschinen mit feststehender Hauptspindel, wobei die Hauptspindel stehend oder hängend ausgeführt sein kann, sowie Senkrechtdrehmaschinen mit einer verfahrbaren Hauptspindel, der sogenannten Pick-up-Drehmaschine. Hieraus ist eine Vielzahl von Produktvarianten entstanden, darunter auch die Gegenspindelmaschine, eine Kombination dieser grundsätzlichen Typen (Abb. 5.178).

Abb. 5.178: Übersicht Vertikaldrehmaschinen

Abb. 5.178: Übersicht Vertikaldrehmaschinen

Forderungen an automatisierte Drehmaschinen

Die ausschlaggebende Motivation dieser Entwicklung ist der Drang zur wirtschaftlichen Automatisierung in der Fertigungstechnik. Grundsätzlich kann zwar jede Drehmaschine unter Einsatz von Portalladern, Robotern oder anderen Automatisierungseinrichtungen automatisiert werden, aber an einen vollautomatisierten Drehbearbeitungsprozess werden ganz besondere Anforderungen gestellt:

  • Kurze Werkstückwechselzeiten durch günstige Anordnung der Automatisierungseinrichtung unter Berücksichtigung von optimaler Zugänglichkeit
  • Werkzeugvorrat in genügendem Umfang (Schwesterwerkzeuge), um einen längeren eingriffslosen Betrieb zu ermöglichen.
  • Maschinenkonzepte mit günstigem Spänefall und opti maler Entsorgbarkeit
  • Qualitätskontrolle integriert mit entsprechender verschleißabhängiger Werkzeugkorrektur
  • Umrüstfreundlichkeit der Automation für Teilefamilien
  • flexible Einbindung in den Materialfluss des Betreibers
  • kleinstmöglicher Platzbedarf für die Aufstellfläche
  • optimales Kosten-Nutzenverhältnis der Automation, d. h. geringstmöglicher Hard- und Softwareaufwand.

Die Entscheidung, ob bei einem Drehbearbeitungsprozess automatisierte Einrichtungen eingesetzt werden oder ob Universaldrehmaschinen das Fertigungsmittel der Wahl sind, ist weitgehend von den Verhältnissen beim Betreiber, insbesondere natürlich von den vorherrschenden Losgrößen der geplanten Produktion, abhängig. In der Großserienproduktion stand und steht wegen des bestehenden Rationalisierungszwanges schon immer der Einsatz automatisierter, zumeist miteinander verketteter Drehautomaten fest, mit wenig umrüstfreundlichen Ausrüstungen. Der Erreichung einer kürzestmöglichen Stückzeit unter Einsatz von Mehrachs-Simultanbearbeitung sowie in die Maschinen integrierten Ladeeinrichtungen wurde höchste Priorität eingeräumt. Vor dem Hintergrund explodierender Produktvielfalt in den Anwenderindustrien, die sich besonders auf die Losgrößen in der Serienfertigung auswirkt, sind heute und in Zukunft hoch flexible Konzepte für mittlere und kleinere Seriengrößen gefragt! Hier stehen nicht mehr die kürzesten Stückzeiten im Fokus, sondern die Optimierung der Prozesskette und der höchstmögliche Nutzungsgrad der Anlagen durch deren Umrüstfreundlichkeit. Vertikaldrehmaschinen in all ihren Ausprägungen und Varianten haben sich für die vorgenannten Aufgabenstellungen sehr gut geeignet!

Vertikaldrehmaschinen mit feststehender Spindel

Die klassische Vertikaldrehmaschine ist die Bauart mit feststehender Hauptspindel, welche stehend angeordnet ist. Die möglichen Ausführungen sind in Abbildung 5.180 dargestellt.

Abb. 5.180: Spindel- und Kreuzschlittenkombination

Abb. 5.180: Spindel- und Kreuzschlittenkombination

Die einfachste Ausführung ist die 2-Achsen-Maschine, beim 4-Achser arbeiten zwei Kreuzschlitten auf einer Spindel, während beim Doppelspindler je eine Kreuzschlitteneinheit pro Spindel zum Einsatz kommt. Eine weitere Variante stellt die sogenannte Pendelversion dar. Sie hat zwei Hauptspindeln, damit auch zwei Spannmittel und besitzt einen zwischen den beiden Spindeln pendelnden Werkzeugträgerschlitten. Damit vermeidet diese Ausführungsvariante rein rechnerisch jegliche Beund Entladezeiten, da immer eine Spindel arbeitet, während die andere be- und entladen wird. Die Wirtschaftlichkeit dieser Konzeption beschränkt sich jedoch auf Fälle, in denen Bearbeitungszeit und Be- und Entladezeit in etwa gleich sind. Ist die Bearbeitungszeit länger, was bei marktüblichen vier bis sechs Sekunden Spann-zu-Spannzeit leicht möglich sein kann, so steht die zu be- und entladende Spindel „arbeitslos“ in Wartestellung. Da gilt dann noch immer der alte Leitspruch der Fertigungsplaner: Eine arbeitende Spindel verdient Geld, eine stehende Spindel kostet Geld!

Abb. 5.181: Modulare Platte (Quelle: Weisser)

Abb. 5.181: Modulare Platte (Quelle: Weisser)

Kompakte, modulare Bauweise

Abbildung 5.181 zeigt das Montagebild einer 4-achsigen Vertikaldrehmaschine, geeignet für die Bearbeitung von Futterdrehteilen, bei Reitstockausführung auch von Wellen. Der Maschinenständer ist als modulare Montagewand konzipiert, auf der die Kreuzschlitten mit den verschiedensten Bearbeitungseinrichtungen je nach Hublage flexibel angeordnet werden können. Als Hauptspindelantrieb ist eine Motorspindel im Einsatz. Elektroschaltschrank und Hydraulikversorgung sind direkt an der Rückseite der Montagewand angebracht. Die Maschine hat durch die vertikale Bauweise und die eingesetzten Maschinenelemente einen sehr geringen Flächenbedarf. Alle Bedienungszugänge sind von vorn, Wartungszugänge von vorn und hinten realisiert. Da somit seitlich der Maschine keine Zugänglichkeit benötigt wird, können die Maschinen sehr kompakt in Reihe oder im „Toyota-U“ aufgestellt werden und ebenso nach dem japanischen Chaku-Chaku-Prinzip Anwendung finden. Diese Aufstellungsmöglichkeiten sind aber auch ideal für Automationslösungen. So kann z. B. ein Roboter je nach Dauer der Bearbeitungsaufgabe bis zu drei Maschinen beladen, womit die Kosten für die Automatisierung halbiert oder sogar gedrittelt werden können.

Für die beschriebenen Vertikaldrehmaschinen gibt es aber auch eine relativ einfache Be- und Entlademöglichkeit. Abbildung 5.182 zeigt eine 4-Achsenversion, bei der an jedem Werkzeugträger eine Position für einen Werkstückgreifer vorgesehen wird. Mit diesen beiden Greifern kann ein relativ schneller Werkstückwechsel durchgeführt werden – das Werkstück wird durch die Maschine durchgeschleust. Für die Folgebearbeitung bietet sich die Reihenaufstellung geradezu an!

Abb. 5.182: 4-Achser mit Be- und Entladegreifern (Quelle: Weisser)

Abb. 5.182: 4-Achser mit Be- und Entladegreifern (Quelle: Weisser)

Weitere Varianten mit zwei festen und beweglichen Spindeln

Es existieren auch komplexere Ausführungen als Doppelspindler. Abbildung 5.183 zeigt eine solche Maschine, bei welcher ein zwischen den beiden Spindeln angeordneter, in zwei Achsen verfahrbarer Werkzeugträger (A2) das Werkstück nach der Bearbeitung von Spindel 1 mit Hilfe eines integrierten Werkstückgreifers maschinenintern auf Spindel 2 befördert. Die Beladung mit dem Rohteil sowie Entladung des Fertigteils erfolgen jeweils über Greifer in den Werkzeugträgern (A1 und A3). Die Bearbeitung der Werkstücke wird über Werkzeugrevolver abgewickelt, wobei der mittlere Revolver (A2) beiden Spindeln zugeordnet werden kann, um eine ausgewogene Bearbeitungsdauer zu erhalten.

Abb. 5.183: Vertikales Drehzentrum (Quelle: EMAG)

Abb. 5.183: Vertikales Drehzentrum (Quelle: EMAG)

Die konsequente Weiterentwicklung automatisierungsgerechter Drehmaschinenkonzepte führte zu der Frage: Warum kann die Maschine das Werkstück nicht selbst von einem Transportband holen, zu einer Bearbeitungsstation bewegen und nach der Bearbeitung wieder auf dem Band ablegen? Die Antwort war die bahnbrechende Entwicklung der sogenannten „Pick-up“-Drehmaschine, eine selbstladende Drehmaschine.

Auszug aus

Handbuch Spanen

Herausgeber: Günter Spur
10/2014, 1392 Seiten, € 299,99
ISBN: 978-3-446-42826-3
Seite 251 ff.
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