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WerkzeugSchleifen

Optimale Symbiose von Steuerung und Software steigert Produktivität

| Autor/ Redakteur: Theo Hackmann / Bernhard Kuttkat

Die ständig wachsenden Anforderungen an Komplexität und Genauigkeit von Werkzeugen lassen sich nur mit fünfachsigen CNC-Schleifmaschinen erfüllen, bei denen Maschinenbau, Steuerungs- und Antriebstechnik sowie Software optimal aufeinander abgestimmt sind. Unter diesen Prämissen hat Schütte die Maschinenbaureihe 305 weiterentwickelt und an die Marktanforderungen angepasst.

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Besondere Bedeutung beim fünfachsigen Werkzeugschleifen kommt dem direktangetriebenen Werkstückspindelstock zu. Damit kann die A-Achse sowohl für hochgenaues Interpolations- und Drallschleifen als auch für Rundschleifprozesse mit Drehzahlen bis zu 4000 min–1 eingesetzt werden. Bild: Schütte
Besondere Bedeutung beim fünfachsigen Werkzeugschleifen kommt dem direktangetriebenen Werkstückspindelstock zu. Damit kann die A-Achse sowohl für hochgenaues Interpolations- und Drallschleifen als auch für Rundschleifprozesse mit Drehzahlen bis zu 4000 min–1 eingesetzt werden. Bild: Schütte
( Archiv: Vogel Business Media )

Für das traditionsreiche Maschinenbau-Unternehmen Schütte ist es eine Selbstverständlichkeit, dass Maschinenkonzepte für das fünfachsige Werkzeugschleifen im eigenen Haus entwickelt und permanent verfeinert und ergänzt werden. Im Steuerungsbereich wurde schon Mitte der 90er Jahre eine Konzentration des Marktes auf wenige große Anbieter vorhergesehen. Der Steuerungswechsel von einem Nischenanbieter zur Sinumerik 840D von Siemens kostete erhebliche Kapazitäten in der Elektrokonstruktion, hat sich aber langfristig ausgezahlt, indem heute ein zukunftssicheres System zur Verfügung steht.

Die – für das Werkzeugschleifen äußerst komplexe – Software wird im Gegensatz zu vielen Marktbegleitern im Hause Schütte entwickelt. Dadurch kann auf Anforderungen des Kunden sowie auf konstruktive Erweiterungen der Maschinen flexibel reagiert werden. Ein Team aus Mathematikern und Informatikern hat mit dem Programmierplatz SIGS (Schütte Integrated Grinding Software) ein System entwickelt, das weit über den Bereich der Standardwerkzeuge hinaus die Anforderungen des Marktes abdeckt.

Spielfreie Direktantriebe sorgen für hohe Genauigkeit

Moderne CNC-Werkzeugschleifmaschinen sind mit drei linearen (X, Y und Z) sowie zwei rotatorischen Achsen (A und C) ausgestattet (Bild 1). Ältere Konzepte mit sechs oder mehr Achsen sind aufgrund der immer höheren Leistungsfähigkeit der Software weitgehend vom Markt verschwunden. Die A-Achse bildet die Rotationsachse des Werkstückspindelstockes, die C-Achse ermöglicht ein Schwenken der Schleifscheibe relativ zum Werkstück. Beide Achsen sind – wie auch die Schleifspindel – direkt angetrieben. Die Spielfreiheit dieser Direktantriebe ermöglicht höchste Konturgenauigkeiten.

Besondere Bedeutung kommt dem direktangetriebenen Werkstückspindelstock zu. Damit kann die A-Achse sowohl für hochgenaues Interpolations- und Drallschleifen als auch für Rundschleifprozesse mit Drehzahlen bis zu 4000 min–1 eingesetzt werden.

Rundschleifen und Konturbearbeitung in einer Aufspannung

Vor allem bei der Herstellung von Stufenwerkzeugen mit geringen Maßtoleranzen ist es unabdingbar, die Arbeitsgänge Rundschleifen und Konturbearbeitung in einer Aufspannung durchführen zu können. Optional besteht die Möglichkeit, eine Abrichtrolle am Werkstückspindelstock anzubringen. Dann kann die Möglichkeit zu hohen Drehzahlen genutzt werden, um die Schleifscheiben innerhalb der Maschine abzurichten.

Während bei früheren Maschinen die Schwenkachse C als Stellachse ausgeführt war, werden heute immer mehr Schleifoperationen mit kontinuierlicher Änderung des Anstellwinkels zum Werkstück ausgeführt. Die C-Achse ist somit häufig in 5-Achs-Interpolationen einbezogen. Die Maschinen der 305er Serie sind so konzipiert, dass die Schleifscheibe nahe an der Drehachse des Schleifkopfes liegt, die Schleifscheibe also fast um sich selbst geschwenkt wird. Das vermeidet unnötige Ausgleichsbewegungen der Linearachsen. Die heute üblichen Genauigkeitsanforderungen an Ecken- und Vollradien bei Fräswerkzeugen lassen sich nur mit solchen Konzepten realisieren.

Fahrständerbauweise mit um 30° geneigter C-Achse

Bei der Anordnung der linearen Achsen sind Maschinensteifigkeit und Kompaktheit der gesamten Maschine („außen klein/innen groß“) die zentralen Gestaltungsaspekte. Deshalb wurde eine Fahrständerbauweise gewählt, bei der die C-Achse um 30° geneigt angebracht ist. Das Frame-Konzept der Sinumerik 840D ermöglicht, dass der Maschinenbediener diese Maschine wie eine rechtwinklig angeordnete Maschine bewegen kann. Die Umrechnung zwischen den Geometrieachsen und den Maschinenachsen erfolgt sowohl im Handbetrieb als auch im Automatikbetrieb automatisch im Hintergrund.

Im Mittelpunkt des Kundeninteresses und vieler Kaufentscheidungen steht jedoch die Programmierung der zu schleifenden Werkzeuge. Die Sinumerik 840D bietet dem Maschinenhersteller die Möglichkeit, der Siemens-eigenen Bedienoberfläche HMI advanced (Human Machine Interface) eigene Softwarepakete hinzuzufügen. Damit stehen alle Inbetriebnahme- und Diagnosetools von Siemens zur Verfügung, die in den Serviceabteilungen der meisten Kunden bestens bekannt sind.

Die Bedienung der Maschinen erfolgt über eine von Schütte exakt an die Konfiguration der jeweiligen Maschine angepasste komfortable Oberfläche. Am häufigsten ist der Bediener mit der Programmierung konfrontiert. Das Grundprinzip ist sehr einfach. Der Bediener legt zunächst den zu bearbeitenden Werkstücktyp sowie die Bearbeitungen fest. Anschließend definiert er die Schleifscheiben, die er für die Bearbeitung zur Verfügung stellt. Je nach Ausstattung der Schleifmaschine sind im Schleifscheibenwechsler drei, vier, fünf oder sogar 24 Plätze verfügbar.

Schritt für Schritt zum NC-Programm

Im Technologie-Menue werden diese Schleifscheiben nun den Bearbeitungsschritten zugeordnet, Spindeldrehzahl, Kühlmittelversorgung sowie Vorschübe definiert. Im Eingabebereich „Operationen“ kann die Reihenfolge der einzelnen Bearbeitungsschritte festgelegt werden. Im Bereich „Werkstück“ erfolgt die Parametrierung des zu schleifenden Werkzeuges.

Zusätzlich zu allgemeinen Werkstückdaten wie der Zähnezahl oder dem Drallwinkel dient ein komfortabler Kontureditor zur Vorgabe der Mantelkontur von Stufen- oder Profilwerkzeugen. Aus diesen Eingabedaten generiert SIGS innerhalb von wenigen Sekunden ein NC-Programm, das in der NC-Datenhaltung der Sinumerik 840D zur Verfügung gestellt wird und von dort unmittelbar gestartet werden kann. Bei rotationssymmetrischen Werkzeugen kann das Nutenprofil im Stirnschnitt innerhalb von SIGS angezeigt werden. Darüber hinaus bietet das System eine Schnittstelle zum Simulationssystem Vericut an. Hier kann die gesamte Bearbeitung inklusive der Anzeige der Maschinenbewegungen vorab simuliert werden.

NC-Tastzyklus vor Programmberechnung

Beim Nachschärfen von Werkzeugen besteht oft die Notwendigkeit, dass Werkstück-Parameter wie Durchmesser, Nutentiefe oder Drallwinkel vom Messtaster ermittelt werden, bevor ein Schleifprogramm generiert wird. In diesem Fall wird der Programmberechnung ein NC-Tastzyklus vorgeschaltet, über den die benötigten Informationen vermessen werden. Über die Datenschnittstellen der Sinumerik 840D zwischen den Bereichen CNC und HMI hat SIGS Zugriff auf die gemessenen Werte und kann diese nach Abschluss der Messung für die Programmberechnung verwenden.

Die Automatisierung hat auch das 5D-Werkzeugschleifen erfasst. Die Baureihen der 305er Serie können mit unterschiedlichsten Ladersystemen erweitert werden. Das System bietet für die gesamte Spanne von Losgröße 1 bis zur Großserienproduktion optimale Flexibilität. Dazu kann mit jedem Platz auf der Werkstückpalette eine individuelle Bearbeitung verknüpft werden, für die ein eigenes NC-Programm benötigt wird.

Zusatzaktionen in Auftragsliste einbinden

Für solche Fälle kann eine Auftragsliste angelegt werden. Die zugeordneten Bearbeitungen werden sukzessive in NC-Programme umgesetzt, die jeweils nach Abarbeitung des Vorgängerprogramms in die NC-Datenhaltung der Sinumerik 840D übertragen werden. In dieser Auftragsliste können auch Zusatzaktionen, die für einen automatischen Produktions- oder Schärfbetrieb notwendig sind, eingebunden werden. So können nach einer einstellbaren Anzahl von Werkstücken eine oder mehrere Schleifscheiben abgerichtet, geschärft und mit einem Laser-Messsystem neu vermessen werden.

Die aktualisierten Scheibendaten werden über die Datenschnittstellen der Sinumerik 840D in die SIGS-Datenbanken übertragen und stehen für die nachfolgenden Programmberechnungen zur Verfügung. Im Störungsfall oder nach erfolgreicher Abarbeitung des Auftrages kann die Steuerung zudem eine SMS an das Mobiltelefon des Maschinenbedieners senden.

Programmiersystem ebenfalls modular

Ebenso wie die Maschine ist das Programmiersystem modular aufgebaut und kann den Anforderungen des jeweiligen Kunden individuell angepasst werden. Eine enorme Bandbreite an Anwendungen deckt dabei allein das Programmpaket „Fräser“ ab (Bild 2). Der Durchmesserbereich reicht vom Mikrowerkzeug mit 0,02 mm Durchmesser bis zum Walzenstirnfräser mit Durchmessern bis zu 150 mm (Bild 3). Ausgereifte mathematische Algorithmen stellen sicher, dass an allen Werkzeugen dieses Spektrum exakte Ecken- und Vollradien angeschliffen werden können.

Weil diese Geometrien nur durch fünfachsiges Schleifen erzeugt werden können, ist natürlich eine genaue Bahn- und Vorschubsteuerung bei der 5D-Interpolation notwendig. Insbesondere im Bereich der Mikrowerkzeuge ist die lineare Antriebstechnik eine unabdingbare Voraussetzung für die Einhaltung der geforderten Toleranzen.

Aktuelle Entwicklungen im Fräserbereich gehen dahin, die Zähne einzeln oder paarweise mit unterschiedlichem Drall auszuführen, um eine bessere Laufruhe der Fräser im späteren Einsatz zu erreichen. Zudem ist oft auch der Drall innerhalb einer Schneide von der Stirn zum Schaft nicht konstant. Diese Bedingungen erfordern immer weitere Ergänzungen und Verfeinerungen der Tastzyklen, weil diese Werkzeuge nicht nur hergestellt, sondern auch nachgeschliffen werden müssen.

Die zweite große Werkzeuggruppe bilden die Bohrwerkzeuge. Dabei sind einfache Spiralbohrer immer weniger anzutreffen; es überwiegen Stufenbohrer und Stufenwerkzeuge mit immer aufwendigeren Konturen. Die mathematische Herausforderung besteht darin, den Drehlagenverlauf der Spanfläche entlang der programmierten Mantelkontur im Voraus exakt zu berechnen. Das Programmiersystem beherrscht dies nicht nur bei einfachen gedrallten Nuten, sondern auch bei mehrfach genuteten Werkzeugen wie Mehrfasenstufenbohrern.

Oft werden für die einzelnen Konturelemente unterschiedliche Schleifmethoden gefordert, um einen optimalen Kompromiss zwischen Schneidverhalten und Schleifzeit zu erzielen. Die Software bietet völlige Freiheit, indem jedem Konturelement die gewünschte Bearbeitungsweise individuell zugeordnet werden kann.

Mehrfunktionen-Werkzeuge sind einfach programmierbar

Das Bestreben der Anwenderbranchen zu immer rationelleren Bearbeitungstechnologien führt dazu, dass in zunehmendem Maße unterschiedliche Funktionen in einem einzigen Werkzeug kombiniert werden. Ein Beispiel ist eine Bohrreibahle, die aus einem Bohrer im vorderen Bereich und einer Reibahle im hinteren Bereich zusammengesetzt ist. Die beiden Bereiche unterscheiden sich sowohl in grundlegenden Werkstückparametern, wie der Anzahl an Schneiden oder dem Drallverlauf, als auch in den geforderten Schleifmethoden.

Die Motivation der Konstrukteure bei der Auslegung der Werkzeuge findet sich in der Programmierung in SIGS wieder. Weil das Werkzeug – beim Beispiel der Bohrreibahle – zwei Funktionen hat, werden beide Teilwerkzeuge zunächst einzeln programmiert. Die entstandenen Dateien (Technologie, Werkstück) werden jeweils unter einem Projektnamen abgelegt. Anschließend können beide Projekte in einer sogenannten Projektliste miteinander verbunden werden, wobei eine axiale oder zirkulare Nullpunktverschiebung vorgegeben werden kann. Bei der Erzeugung eines NC-Programms werden in der vorgegebenen Reihenfolge die einzelnen Teilwerkzeuge bearbeitet, ohne Eingreifen des Maschinenbedieners. In dieser Weise lassen sich bis zu zehn komplette Bearbeitungen einem einzigen Werkstück zuordnen.

Selbstverständlich können auch Gewinde- und Senkwerkzeuge mit SIGS komfortabel bearbeitet werden. Die Schwerpunkte in der Software-Entwicklung bei Schütte liegen in Bereichen, die das Anwendungsspektrum der Maschine kontinuierlich erweitern. So ermöglichte die Nutzung der linearen Antriebstechnik, die Technologie des Pendelhubschleifens auf der Maschine erfolgreich einzusetzen. Dadurch können beispielsweise komplizierte Profilstempel in angemessenen Schleifzeiten auf der Maschine produziert werden.

Alternativ zu dieser Methode können Profilstempel auch mit speziell profilierten Schleifscheiben hergestellt werden. Dazu werden eine oder mehrere Schleifscheiben auf der Maschine mit dem erforderlichen Profil abgerichtet, um dann die Stempel abschnittsweise zu schleifen. Höchste Flexibilität in diesem Marktsegment wird erreicht, indem beide Methoden mit Hilfe der oben erläuterten Projektliste miteinander verknüpft werden.

Aktuell wurde das Programmiersystem mit einem Zusatzmodul SIGS-Medical ergänzt, mit dessen Hilfe auch Medizinalraspeln komfortabel programmiert werden können (Bild 4). Der Raspelgrundkörper wird als IGES-Modell importiert und mit wenigen Eingabeparametern mit Zähnen versehen. Anschließend werden in SIGS die erforderlichen Verfahrbewegungen der Maschine berechnet und in ein NC-Programm umgesetzt. Während eine geradverzahnte Raspel in einem 3-achsigen Schleifprozess hergestellt wird, erfordern die komplizierten Eingriffsverhältnisse bei schrägverzahnten Raspeln 5-achsiges Schleifen.

Spezielle Bearbeitungsschritte können hinzugefügt werden

Mit den in SIGS enthaltenen Softwaremodulen sind nahezu alle geforderten Schleiftechnologien ausführbar. Im Fall, dass ein spezieller Bearbeitungsschritt nicht in SIGS vorgesehen ist, besteht für den Anwender die Möglichkeit, diesen in Form einer freien Operation dem System selbst hinzuzufügen. Er kann die erforderlichen Achsbewegungen als NC-Code hinterlegen und diese Routinen mit selbst definierten Parametern variabel gestalten. Die vom Anwender eingegeben Werte werden zusammen mit den Programm-eigenen Parametern in den entsprechenden Datenbanken gespeichert.

Außer den hohen Anforderungen bezüglich Geometrie und Maßtoleranzen steht die Wirtschaftlichkeit der Schleifbearbeitungen im Fokus der Software-Entwicklung. Zur Reduzierung der Schleifzeiten nutzt Schütte eine intelligente Variante der adaptiven Regelung. Die Sinumerik 840D erlaubt den ständigen Zugriff der CNC auf die Auslastung der Schleifspindel. Dadurch kann der Schleifvorschub innerhalb einstellbarer Grenzen der aktuellen Zerspanungssituation variabel oder kontinuierlich angepasst werden.

Nach vorheriger Ermittlung der Spindelauslastung im Leerlauf ermöglichen es die kurzen Reaktionszeiten der CNC sogar, die Vorschübe beim Anfahren an das Werkstück drastisch zu erhöhen, ohne dass die Schleifscheiben beschädigt werden. Bei vielen Applikationen kann damit die Schleifzeit um bis zu 20% reduziert werden.

Auch künftig werden die Maschinen der 305er Serie im Spannungsfeld höherer Komplexität, engerer Maßtoleranzen sowie steigenden Kostendrucks stehen. Die Entwicklungsteams in Konstruktion, Steuerungstechnik und Software-Entwicklung sind sicher, mit der Kombination aus Eigenleistung und Integration einer zukunftssicheren Steuerung für diese Anforderungen bestens gerüstet zu sein. MM

Theo Hackmann ist Abteilungsleiter Steuerung und Software Werkzeugschleifmaschinen der Schütte Schleiftechnik GmbH & Co. KG in 51105 Köln, Tel. (02 21) 83 99-0, schuette@schuette.de

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