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Spitzenlosschleifmaschinen erschließen Produktivitätspotenzial

| Autor/ Redakteur: Karsten Otto / Bernhard Kuttkat

Blitzschneller Werkstückwechsel, minimierte Prozessnebenzeiten und Umrüsten auf Knopfdruck – moderne Spitzenlosschleifmaschinen erschließen beträchtliches Produktivitätspotenzial, gemessen an konkurrierenden Verfahren. Je nach Anwendungsfall kann der Produktivitätsvorteil der Spitzenlosschleifmaschinen über 100% betragen.

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Nadeldüsen bringen das Kühlmittel in der Spitzenlosschleifmaschine unmittelbar zur Zerspanstelle. Das Ergebnis sind optimal gekühlte Werkzeuge und Werkstücke sowie ein reduzierter Kühlmittelbedarf.Bild: Studer Mikrosa
Nadeldüsen bringen das Kühlmittel in der Spitzenlosschleifmaschine unmittelbar zur Zerspanstelle. Das Ergebnis sind optimal gekühlte Werkzeuge und Werkstücke sowie ein reduzierter Kühlmittelbedarf.Bild: Studer Mikrosa
( Archiv: Vogel Business Media )

Die Potenziale zur Verbesserung der Zykluszeit eines Bauteiles beim spitzenlosen Schleifen liegen oftmals nicht nur in den Schleifprozessen, sondern ebenso im Werkstücktransport. Die neue spitzenlose Einstechschleifmaschine Kronos speed mit High-Speed-Centerless-Loader (HSCL) für schlanke Werkstücke mit einem Durchmesser bis 8 mm und einer Länge bis 80 mm glänzt mit Werkstückwechselzeiten von < 1 s (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Damit hat Studer Mikrosa die herkömmliche Werkstückwechselzeit von 3 s um mehr als 60% reduziert. Das hat auch Auswirkungen auf die komplette Zykluszeit des Spitzenlosschleifens: Dies bedeutet für die Endkunden eine wesentliche Steigerung ihrer Produktionsleistung und somit eine deutliche Senkung der Stückkosten.

Bildergalerie

Ingenieure von Studer Mikrosa und der Wenger Automation & Engineering AG, Winterthur/Schweiz, entwickelten das neuartige Ladesystem HSCL, das den Kühlmittelstrom als Transportmedium für das Werkstück nutzt: Das Kühlmittel hebt das Werkstück von der Werkstückauflage (patentiertes Prinzip des fluidischen Abhebens) und wechselt die Werkstücke so in < 1 s.

Die einfach zu bedienende Steuerung des Laders wurde in die Maschinensteuerung integriert. Die Zwangsführung des Werkstückes gewährleistet einen sicheren Transport. Weil der Lader pneumatisch betrieben wird, sind keine teuren Zusatzaggregate notwendig.

Pneumatikkomponenten in die Spitzenlosschleifmaschine integriert

Die Pneumatikkomponenten sind ebenfalls in die Spitzenlosschleifmaschine integriert. Zusätzlich gewährleistet der Einsatz von Druckluft eine minimale Verschleppung des Kühlschmierstoffes: Beim Abblasen der Werkstücke von der Werkstückauflage verlieren sie einen Teil des anhaftenden Kühlschmierstoffes.

Dadurch wird weniger Kühlmittel mit dem Werkstück abtransportiert als bei konventionellen Ladesystemen. Mikrosa verzichtet bei der Kronos speed bewusst auf teure NC-Achsen und bietet mit der neuen spitzenlosen Einstechschleifmaschine eine extrem schnelle, platzsparende und wartungsarme schlüsselfertige Lösung.

Der Lader kann sowohl mit Öl als auch Emulsion betrieben werden und ist deshalb für eine Vielzahl von Applikationen einsetzbar, zum Beispiel für die Ein- und Zweifachproduktion sowie für das Durchtakten bei zwei Operationen.

Gestaltet man eine betriebsinterne Investitionsrechnung so, dass nicht nur die Anschaffungskosten berücksichtigt werden, sondern auch alle kostenrelevanten Aspekte der späteren Nutzung wie Energiekosten, Reparatur und Wartung der betreffenden Komponenten (Total Cost of Ownership), erkennt man erhebliche Unterschiede in der Rentabilität von Produktionsmitteln. Somit können bekannte Kostentreiber oder auch versteckte Kosten möglicherweise bereits im Vorfeld einer Investitionsentscheidung identifiziert werden.

Daran gemessen, stellt sich oftmals die Investition in eine im Anschaffungspreis deutlich günstigere Maschine als eine betreiberwirtschaftlich gesehen teurere Lösung heraus, weil man Prozesszeiten, Nachhaltigkeiten in der Qualitätsgarantie und andere Faktoren kalkulatorisch oft nicht eindeutig der Maschine zuweisbar erhebt.

Downtime bei Spitzenlosschleifmaschine deutlich reduziert

Wichtigste Grundlage für das Verständnis der Total Cost of Ownership ist die Unterscheidung zwischen direkten und indirekten Kosten. Zu den indirekten Kosten gehört der sogenannte Einfluss der „downtime“, also Zeit, für die das System nicht für die Schleifbearbeitung zur direkten Wertschöpfung am Bauteil genutzt werden kann. Diese Zeit wurde von Mikrosa zur Erhöhung der Betreiberwirtschaftlichkeit beim Spitzenlosschleifen deutlich reduziert.

Großserienproduktionsverfahren flexibel und mit minimalem Rüstzeitaufwand zu betreiben, ist sicher ein Ziel aller produzierenden Unternehmen. Gerade beim Spitzenlosschleifen, einem etablierten Großserienfertigungsprozess, bestehen jedoch oftmals hohe Einstellungs- und Rüstzeitaufwände, die den Fertigungsplaner zunächst von einer Berücksichtigung des spitzenlosen Schleifens in der Auslegung seiner Prozesskette abhalten.

Ferner führt die Angst vor der angeblich „unbeherrschbaren Komplexität“ des Fertigungsverfahrens oftmals sogar dazu, dass Investitionsentscheidungen zugunsten der zwar wesentlich weniger produktiven, jedoch einfacher scheinenden Bearbeitungsverfahren gefällt werden.

Total Cost of Ownership bei Investitionsentscheidungen berücksichtigen

Damit widerfährt dem spitzenlosen Schleifen Unrecht und es bleiben massive Kostenpotenziale in der fertigenden Industrie einfach ungenutzt, denn man kann den technischen Vergleich der Schleifalternativen nicht adäquat in Kosten messen. Kann man sich das in der heutigen Zeit noch erlauben?

Das spitzenlose Schleifen bietet gegenüber konkurrierenden Verfahren ein sehr hohes wirtschaftliches Potenzial mit Produktivitätsvorteilen von über 100%, je nach Anwendungsfall. Wie sich das in den Total Cost of Ownership niederschlägt, sollte man rechnerisch überprüft haben, bevor man in Systeme mit niedrigerem Anschaffungspreis, aber wesentlich höheren Total Cost of Ownership investiert!

Das spitzenlose Schleifen und dabei speziell das manuelle Einrichten der Maschine erfordert in der Regel höhere Einstellungs- und Rüstzeitaufwände, als sie bei Bearbeitungsverfahren zwischen Spitzen auftreten, die jedoch durch das enorme Produktivitätspotenzial dieses Verfahrens wieder wettgemacht werden. Zur massiven Senkung der Prozessnebenzeiten integrierte Mikrosa neue und einfach zu bedienende Softwaremodule in die Steuerung der Spitzenlosschleifmaschinen.

Sowohl die Korrektur der B-Achse als auch das Schwenken des Regelscheibenabrichters erfolgen bei Spitzenlosschleifmaschinen herkömmlicher Bauart mechanisch. Bei der Kronos S werden diese Verstellfunktionen durch eigens erarbeitete Berechnungsmodelle über die Maschinensteuerung automatisch übernommen.

Nebenzeit senken und umrüsten auf Knopfdruck

Die Gewährleistung eines sicheren spitzenlosen Prozesses (Bild 2) verlangte bisher viel Fingerspitzengefühl und einen großen Erfahrungsschatz des Bedieners. Diese Sensibilität des Prozesses kann manchen potenziellen Anwender verunsichern.

Richtig ist auch, dass die anforderungsgerechte Einstellung einer spitzenlosen Schleifmaschine von relativ komplexer Natur ist. Entscheidend für die erreichbare Rundheit beim Spitzenlosschleifen sind dabei die gewählten Winkel-Verhältnisse der Kontaktpunkte zwischen Werkstück und Schleifscheibe, Werkstück und Werkstückauflage sowie Werkstück und Regelscheibe. Bei falscher Einstellung dieser „Schleifspaltgeometrie“ wird kein rundes, sondern ein Werkstück mit einem dementsprechenden Polygon im µm-Bereich erzeugt.

Um diesen komplexen Einstellvorgang reproduzierbar und von vielen verschiedenen Maschinenbedienern gleichermaßen gut ausführen zu können, hat Mikrosa die steuerungsintegrierte Software Heureka entwickelt, die den Bediener bei der Beherrschung dieser Komplexität unterstützt (Bild 3). Mit dieser Software ist es nun möglich, für die jeweilige Bearbeitungsaufgabe die optimale Einstellung von Höhenlage und Winkel der Werkstückauflage zu ermitteln, bei der der Schleifprozess über den kompletten nutzbaren Durchmesserbereich von Schleif- und Regelscheibe stabil abläuft und eine geforderte Rundheit des Werkstückes sicherstellt!

Expertensystem ist in Steuerung der Spitzenlosschleifmaschine integriert

Doch nicht nur dieser so genannte „geometrische Rundungseffekt“ bereitete in der Vergangenheit vielen Maschinenbedienern Kopfzerbrechen, sondern auch das dynamische Maschinenverhalten. Mikrosa hat dazu in der Steuerung der Kronos-Maschinen ein Expertensystem integriert, das die Drehzahlverhältnisse der Spitzenlosschleifmaschine derart an den maschinencharakteristischen Frequenzgang der im Kraftfluss liegenden mechanischen Komponenten anpasst, dass dynamisch bedingte Rundheitsfehler vermieden werden können. Das geringe Maß, um das sich ein Frequenzgang im Betriebseinsatz über der Zeit ändert, gilt unter anderem als hohes Qualitätsgütesiegel der Mikrosa-Spitzenlosschleifmaschinen.

Um die Vorteile dieses Schleifverfahrens nutzen zu können, bedarf es einer anforderungsgerechten statischen und dynamischen Steifigkeit sowie einer sehr guten „thermischen Konstanz“ der Werkzeugmaschine. Gerade in diesen Punkten kann sich Mikrosa deutlich von seinen Wettbewerbern abheben.

So setzt man seit zehn Jahren auf Maschinenbetten aus Mineralguss (Granitan). Dieser Werkstoff hat eine hervorragende Thermostabilität sowie exzellente Dämpfungseigenschaften. Die Basis für die enorme Systemsteifigkeit wird schon in der Entwicklungsphase durch eine großzügige Dimensionierung aller Maschinenelemente, thermosymmetrische Konstruktionen sowie durch FEM-Optimierungen gelegt.

Wichtige Flächen an den Spitzenlosschleifmaschinen werden von Hand geschabt

Die Spitzenlosschleifmaschinen agieren wesentlich stabiler, wenn strategisch wichtige Flächen an den spitzenlosen Außenrundschleifmaschinen nicht nur geschliffen, sondern abschließend auch noch manuell geschabt werden. Die Flächen werden von Spezialisten quasi von Hand veredelt (Bild 4).

Der Traganteil wird dadurch entscheidend erhöht, was allein durch die Fertigungsqualität auf den Bearbeitungsmaschinen nicht zu erreichen ist. Geschabt werden zum Beispiel die für die Produktionsqualität der Maschine so entscheidenden Flächen wie die Aufnahmebohrungen für die Schleif- und Regelspindel oder die Auflageflächen von Spindelstock und Werkstückauflagehalterung.

Kunden können also mit konstant hohen Bearbeitungsgenauigkeiten produzieren und somit langfristige Qualitätszusagen treffen. Jede neue Maschine wird vor der Serienproduktion einer Modalanalyse unterzogen und für die kundenspezifische Produktion optimiert.

Kühlung hat Einfluss auf das Schleifergebnis

Der Kühlung kommt beim Schleifen – besonders bei hohen Schnittgeschwindigkeiten – eine wesentliche Bedeutung zu. Die Temperaturbelastung von Werkstück, aber auch Schleifwerkzeug muss gering genug eingestellt werden, um thermische Randzonenschädigungen zu vermeiden und die Standzeiten des Werkzeuges zu erhöhen.

Darüber hinaus können bei entsprechenden spitzenlosen Schleifaufgaben mitunter bis zu 400 l Kühlschmierstoff pro Minute in den Schleifspalt fließen. Ein nicht unerheblicher Kostenfaktor, vor allem unter Berücksichtigung der anfallenden Kühlschmierstoff-Aufbereitungskosten.

Mikrosa hat sich deshalb die Frage gestellt, wie Kühlmittel gespart werden kann, ohne dass die Qualität des Werkstückes darunter leidet. Die Lösung des Problems: ein neuartiges Nadeldüsenkonzept zur punktgenauen Kühlung von Werkzeug und Werkstück.

Spitzenlosschleifmaschinen sparen Kühlschmierstoff dank punktgenauer Kühlung

Bei dem neuen Kühlsystem wird der Kühlschmierstoff laminar auf Scheibenumfangsgeschwindigkeit beschleunigt. Die Nadeldüsen bringen das Kühlmittel unmittelbar zur Zerspanstelle. Dabei sorgt die hohe Impulswirkung des Kühlschmierstoffs für eine Durchdringung des Luftpolsters an der Schleifscheibe. Das Ergebnis sind optimal gekühlte Werkzeuge und -stücke und ein deutlich reduzierter Kühlmittelbedarf.

Die gute Pflege einer Maschine verlängert ihre Lebenszeit. Mit dem Online-Monitoring führt Mikrosa die zustandsorientierte Instandhaltung ein: eine Kombination von Mechanik, Systemtheorie, Elektronik und Informatik. Sensoren an ausgewählten kritischen Punkten der Maschine übermitteln regelmäßig Daten an die Maschinensteuerung.

Diese analysiert die Informationen in Echtzeit, meldet dem Maschinenführer etwaige Grenzwertüberschreitungen als Fehler und weist ihn darauf hin, dass eine genauere Diagnose durch einen Spezialisten erforderlich ist. Durch die Erfassung spezifischer Kenngrößen und Sensordaten erstellt das Online-Monitoring eine nachvollziehbare Aufzeichnung des Betriebsablaufs der Maschinen und ausgewählter Systemkomponenten.

Die aufgezeichneten Daten werden bei Mikrosa in eine Datenbank eingespeist. Diese erkennt technische und durch Wartung bedingte Ausfallzeiten und ermittelt Verfügbarkeit, Nutzungsgrad und Ausfallraten aller analysierten Systembausteine.

Die Zustandsüberwachung hilft, Kosten zu sparen, weil die Lebensdauer kritischer Maschinenelemente nahezu vollständig genutzt werden kann und Instandsetzungsmaßnahmen mit dem Produktionsplan abgestimmt werden können. Darüber hinaus dienen die Daten der Schwachstellenanalyse und somit zur Steigerung der Prozesssicherheit und zur frühzeitigen Erkennung von Verschleißzuständen.

Dipl.-Ing. Karsten Otto ist Leiter Konstruktion und Entwicklung der Studer Mikrosa GmbH in 04179 Leipzig.

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