Forschung und Entwicklung

Die Bearbeitungsmodule ermöglichen durch unterschiedliche Eingriffskinematiken und Kraftregelungssysteme einerseits die Feinbearbeitung komplexer Spritzgieß- und Umformwerkzeugoberflächen und andererseits die Kompensation des Werkzeugverschleißes und der Positionierungenauigkeiten der Maschinensysteme. Die Prozesskraft kann während der Bearbeitung kontinuierlich gesteuert oder geregelt und damit der jeweiligen lokalen Bearbeitungssituation angepasst werden.
Vor allem im Formenbau besteht ein hoher Bedarf intelligente, der zu bearbeitenden Geometrie angepasste, Werkzeugsysteme bereit zu stellen um eine vollständige Bearbeitung aller Geometrieelemente eines Spritzgießwerkzeugs zu gewährleisten. Dies ist nur durch eine Kombination der verschiedenen neuartigen innovativen Werkzeugsysteme möglich.
Die einfache automatische Einwechsel- bzw. Austauschbarkeit und damit Kombinierbarkeit der Module gewährleistet eine erhebliche Steigerung der Verfahrensflexibilität und Maschinenaus-lastung. Je nach Bauteilgeometrie sind bei Bearbeitungsuntersuchungen Einsparungen der Bearbeitungszeit von über 50 % erzielt worden. Damit können die Herstellkosten in Größenordnungen von 15 bis 30 % und darüber hinaus gesenkt werden.

Wirkprinzip des Spindelsystems

Entgegen des herkömmlichen Bearbeitungsprinzips mit einem bahngesteuerter Abtrag, arbeitet das Spindelsystem mit einem Anpresskraft-Verweildauer erzeugten Abtrag. Die erforderlichen Anpresskräfte werden mittels Andruckelemente aufgebracht. Konstruktiv sind diese Elemente so gestaltet, das sie in einem definierten Anstellbereich eine konstante Anpresskraft ermöglichen. Infolge dessen wird das Werkzeug von der Bahn der Bearbeitungsmaschine bzw. des Roboters in Abtrags Richtung entkoppelt (die Bahn der Maschine kann innerhalb des Anstellbereichs der Module von der Oberflächengeometrie abweichen).
Translatorisches Modul

Typische Spritzgieß- und Umformwerkzeuge bestehen aus einer Vielzahl von ebenen oder fast ebenen Geometrieelementen, die trotz unterschiedlichster Anforderungen an die Schleif- und Polierwerkzeuge, zur Vermeidung von Nebenzeiten, in einem Maschinensystem geschliffen und/ oder poliert werden sollen. Sofern die Zugänglichkeit der zu bearbeitenden Oberflächen gegeben ist, können plane oder gekrümmte, konkave sowie konvexe Flächen mittels des translatorischen Moduls mit axialer Kraftanstellung bearbeitet werden.
Bei den translatorischen Modulen ist ein vollflächiger Kontakt bei gleichzeitig geringerem Werkzeugverschleiß möglich. Die dadurch entstehenden markanten Vorteile sind neben einer nicht auftretenden Kantenverrundung , insbesondere das Entfernen der Oberflächenwelligkeit, die homogene Oberflächenqualität sowie die Erzeugung von Strichpolituren. Vor allem bei Blechumformwerkzeugen für die Automobilkarosserie sowie Spritzgießwerkzeugen sind diese Vorteile für lackierfähige Produkte von essentieller Bedeutung.
Je nach eingesetztem Grundmodul kann es unproblematisch in die jeweiligen Ausführungsvarianten Modul mit Wippe (Bild 8), Modul mit Segmenten (Bild 9) bzw. Modul mit Polierhebel (Bild10) umgerüstet werden. Der Arbeitshub ist standardmäßig in den Hublängen 2, 4 oder 6 mm, fest eingestellt. Optional ist auch eine variabel einstellbare Hublänge von 1 bis 14 mm wählbar.
Um die Zugänglichkeit der Bearbeitungsmaschinen bzw. -systeme zu den zu bearbeitenden Flächen zu gewährleisten, sind die oben beschriebenen Module auch optional mit abgewinkelten Ausgleichssystem in den Winkeln 30°, 60° und 90° ausführbar (Bild 11).
Eine Sonderform des translatorischen Moduls ist das gegenläufige translatorische Modul mit seinen zwei Ausführungsformen des mittig (Bild12) und außermittig (Bild13) angeordneten Doppelschlittens, bei denen sich die Kräfte beider gleichgroßen, entgegengesetzt bewegenden Bearbeitungskräfte und Massen aufheben.
Durch den Einsatz eines Schrupp- und eines Schlichtsteines wird die Produktivität des Moduls noch erhöht.

Rotatorisches Modul

Vor allem Spritzgießwerkzeuge bestehen neben einer Vielzahl von ebenen oder fast ebenen Geometrieelementen ebenso aus Vertiefungen und Löchern, die trotz unterschiedlichster Anforderungen an die Schleif- und Polierwerkzeuge in einem Maschinensystem geschliffen und/ oder poliert werden sollen. Sofern die Zugänglichkeit der zu bearbeitenden Oberflächen gegeben ist, können plane oder konkave sowie konvexe gekrümmte Grundflächen und Seitenwände mittels rotatorischen Modulen mit axialer und/oder radialer Kraftanstellung bearbeitet werden.
Im Gegensatz zu den translatorischen Modulen ist kein vollflächiger Kontakt sondern nur eine Punkt- oder Linienberührung des Werkzeuges auf der Bauteiloberfläche möglich. Bei Einsatz nachgiebiger Werkzeuge kann im begrenzten Umfang ein Flächenkontakt erzeugt werden.
Das Wirkprinzip der axialen Anpressung ist mit den Modulen mit radialer Anpressung kombinierbar.

• Rotatorisches Modul mit axialer Anpressung

Das Modul ist geeignet für die allgemeine Bearbeitung von gut zugänglichen konkav bzw. konvex gekrümmten Flächen sowie Grundflächen von Vertiefungen. Da die Anpressung in rein axialer Richtung bzw. mit leichter Anstellung des Werkzeuges bis max. 15° erfolgt, können mit diesem Modul auf 5-achs-Maschinen alle gut zugängliche Konturen bearbeitet werden. Der Aufbau ist relativ kompakt, da die Ansteuerung mittels Luft direkt über die Spindelwelle erfolgt.

• Rotatorisches Modul mit radialer Anpressung

Das Modul mit radialer Kraftanstellung soll in kraftgesteuerter Schleif- und Polierprozesse die Feinbearbeitung von Nuten und Wänden bei gleichzeitig reduziertem Programmieraufwand ermöglichen.
Das radial anstellbare Werkzeugsystem kann mit optimalen Eingriffsbedingungen bei maximalem Kontakt radial Prozesskräfte aufbringen. Das Modul ist so konstruiert, das die Anpresskraft Fr umlaufend (auf 360°) anliegt und innerhalb eines definierten Anstellweges konstant ist und sofort bei Auslenkung aus dem 0-Punkt anliegt.

• Rotatorisches Modul mit radialer Anpressung und schwenkender Auslenkung

Dieses Modul wird durch die radiale Pendelbewegung der rotierenden Bearbeitungsachse charakterisiert. Es ist vor allem für die Bearbeitung von Wandungen tiefer Geometrien wie Bohrungen und schmaler Durchbrüche gedacht. Durch die sehr lange Polierwelle (Bild 17) wird der Nachteil des Schwenkwinkels der Polierachse vernachlässigbar gering (ca.0,3° bis 0,45° je nach Polierwellenlänge).

• Rotatorisches Modul mit radialer Anpressung und paralleler Auslenkung

Das parallel auslenkende Modul ist für die Feinbearbeitung der Nutwände, die eine geringere Bearbeitungstiefe aufweisen vorgesehen. Dieses Modul ermöglicht eine parallele Auslenkung der Bearbeitungswelle zur Antriebsachse. Entgegen der Pendelauslenkung eignet sich die parallele Auslenkung der Werkzeugachse sehr gut für Bearbeitungsfälle mit linienförmiger Kontaktierung der Bearbeitungsfläche bei geringer Bearbeitungstiefe und höheren Bearbeitungskräften.

• 2-Achs-Kugelkopfmodul

Das Kugelkopfmodul ist für die Feinbearbeitung von konkaven Radien sowie freigeformten Oberflächen vorgesehen. Bei den (Bild 19 und 20) skizzierten 2-achs-Kugelkopfmodulen wird der Rotation des Modules durch die Arbeitsspindel eine zweite, elektrisch oder mechanisch erzeugte Rotation des Kugelkopfeswerkzeuges überlagert. Hierdurch kann ein entsprechendes Werkzeug ohne Anstellung, also senkrecht zur bearbeitenden Oberfläche geführt werden, ohne dass die Schnittgeschwindigkeit im Kontaktpunkt null beträgt.
Durch das Werkzeugsystem wird auch die Bearbeitung von Geometrien ohne zusätzliche Anstellung ermöglicht. Dieses ermöglicht erst die wirtschaftliche Bearbeitung spezieller Konturen auch auf 3-Achs-Maschinen und ermöglicht zudem eine signifikante Reduzierung des Programmieraufwands von ca.30% gegenüber der 5-Achsprogrammierung.

• 2-Achs-Kugelkopfmodul mit portalgelagerten Schleifkörper

Die Portallagerung der Werkzeugachse bedingt bei diesem Modul eine hohe Tragfähigkeit und Steifigkeit, wodurch Werkzeuge mit größeren Durchmessern eingesetzt werden können. Die rechtwinklige Anordnung der zwei Rotationsachsen erzeugt eine optimale Schnittbedingung im Kontaktpunkt.

• 2-Achs-Kugelkopfmodul mit fliegendgelagerten Schleifkörper

Bei diesem 2-achs-Kugelkopfmodul kann das einseitig, fliegend gelagerte Werkzeug infolge des kinematischen Aufbaus einen Durchmesser kleiner 1 mm aufweisen. Aufgrund der winkligen Anstellung der Werkzeugachse wird die Störkontur verkleinert und der Werkzeugwechsel erleichtert.
Anwendungsbeispiel

Fertigung eines Spritzgießwerkzeuges zur Herstellung des Gehäuseteiles mit hochglänzenden Flächen, das bisher sehr kosten- und zeitaufwändig von Hand feinbearbeitet wurde. Mit Spindelsystem und dessen Modulen, wird das Ziel, tagsüber zu fräsen und nachts automatisiert zu schleifen und zu polieren, nun umgesetzt. Damit werden die Produktivität und Verfügbarkeit gesteigert und die Herstellkosten gesenkt.

Spindelsystem mit außenliegendem Sensor für kleine Spindeln

Das Spindelsystem ist durch seine Komplexität und Autonomie universell in vielen Maschinen einsetzbar. Das weitestgehend modulare Spindelkonzept mit seiner stark vereinfachten Schnittstelle und den austauschbaren Aufnahmen sowie der kompakte Aufbau erlauben eine unkomplizierte Adaption der Bearbeitungsspindel in die unterschiedlichsten Bearbeitungsmaschinen sowie an Robotern.
Die konstruktive Umsetzung des Anforderungsprofils ergab eine Polier-, Schleif- und Frässpindel mit einer variablen Befestigung (Abb. 1), die über einen Versorgungsschlauch mit einem Versorgungsaggregat verknüpft ist.

Das Spindelsystem besteht aus einer Spindel, die mit Hilfe des Sensorrings an einem Träger befestigt ist. Im bzw. am Träger ist eine Kontur eingebracht, an der einerseits unterschiedliche, standardisierte Aufnahmen adaptiert werden können (z.B. SK, HSK, CAPTO, Welldorn…), die andererseits aber auch direkt am Bearbeitungssystem befestigt werden kann.

Das optional einsetzbare Versorgungsaggregat, welches mit Hilfe eines Versorgungsschlauchs flexibel mit der Bearbeitungsspindel verbunden ist, arbeitet autark und besitzt nur eine stark minimierte Schnittstelle zur Maschine. Es ist als kompakte, fahrbare Einheit konzipiert, was einen hohen Grad an Flexibilität bezüglich der Um- und Einrüstung der Bearbeitungsmaschinen bietet.
Mit diesem einen Sensor und seiner Auswerteelektronik können eine bis mehre Funktionen und Messgrößen gleichzeitig ausgewertet bzw. zur Verfügung gestellt werden.

Aussagen nach Auswertung:

• Wuchtqualitäten und Wuchtgüte
• Berührung zwischen Wz - Wst
• Kräfte an der Spindel aus dem Bearbeitungsumfeld
• Bearbeitungskräfte und -momente an Spindel und Werkzeug
• Zustände der Spindelbauteile

Funktionen nach Auswertung:

• Auswuchten von Werkzeugen oder Werkstücken in der Spindel
• Anschnittpunkt-Bestimmung bzw. Nullpunktsetzung
• Werkzeugverschleiß- und Werkzeugbruchüberwachung
• Kollisionsüberwachung und -schutz
• Lagerzustandüberwachung => Schutz vor unverhofftem Ausfall
• Spindelzustands-Erkennung => Vermeiden von Arbeiten in kritischen Bereichen
• Überlastungsschutz der Spindel bei gleichzeitiger Optimierung der Prozessparameter
• permanente Anpassung der Prozessparameter an die vorhandenen Gegebenheiten

Im Rahmen der Erprobung wurde gezeigt, dass z. B. das bisher sehr zeitaufwändige Einrichten der Schleifwerkzeuge über das hochauflösende Kraftmonitoring erheblich verkürzt werden kann. Über den erfassten Kraftverlauf während der Bearbeitung können Prozessinstabilitäten online erfasst und gegebenenfalls Bahnkorrekturen veranlasst werden.

Eine Übertragung auf andere Anwendungen und Fertigungsverfahren wie Schleifen, Drehen, Fräsen und Bohren mit leistungsstarken Spindeleinheiten aber auch die Beeinflussung von Prozessstrategien durch die Rückführung von Prozessinformationen aus den jeweiligen Bearbeitungen ist mit diesem Spindelsystem möglich.

Prinzip der Kühlwirkung

Die Kühlwirkung von Kohlendioxid beruht bekannter Weise auf dem Joule-Thomson-Effekt. Dieser beschreibt, dass ein Gas oder ein Gasgemisch infolge einer Druckänderung einer Temperaturänderung unterliegt. Dabei werden die thermodynamischen Effekte der Phasenumwandlung von Kohlendioxid genutzt. Der gewünschte Kühl-Schneestrahl entsteht aus der flüssigen Phase von CO². Dieser ist nicht in der Lage bei einem Atmosphärendruck von 1,013 bar zu existieren. Jedoch ist die flüssige Phase von Kohlenstoffdioxid unter einem Druck von mindestens 55,4 bar mit einer Raumtemperatur von 20°C existent.
Das einkanalige kryogene Kühl-Schmierverfahren ist ein Verfahren, bei dem in ein Injektionsgas (Trägergas), welches aus gasförmigen CO2 besteht, den Systemdruck aufrecht erhält und den CO2-Schneestrahl stabilisiert, das flüssige CO2 (Kühlmedium) und das dünnflüssige Schmiermittel (vorzugsweise Öl) eingebracht und vermischt wird. Dies geschieht beim einkanaligen System in einer Mischeinheit vor der Einleitung in die Spindel.
Die Mengen an Kühlmittel und Schmierstoff werden geregelt oder gesteuert dem Trägergas prozessabhängig beigemischt, so dass an der Schneide die optimale Kühlung und Schmierung vorliegt.
Die Führung des Kühl-Schmierstoffes durch die Maschine und somit durch die Spindel bis zur Werkzeugschneide ist unkompliziert, da die Kühlwirkung erst am Austritt aus dem Werkzeug einsetzt und somit nur der erforderliche Systemdruck zu realisieren ist.

Vorteile des einkanaligen Kühl-Schmierverfahrens:

• Quasi Rückstandsfrei
  Bei reiner Kühlung verdunstet das CO² rückstandsfrei. Der optional, zusätzlich eingesetzte Schmierstoff bildet einen hauchdünnen, kaum merkbaren Oberflächenfilm.
• Gut integrierbar
  Da die Phasenumwandlung und damit die Kühlung erst im Bereich des Austrittes des Mediums sattfindet, müssen die Maschinenzuleitungen und Ventile zwar einem hohen Druck standhalten, sind aber keinen tiefkalten Temperaturen, wie bei flüssigem Stickstoff, ausgesetzt. Lediglich die Einbindung des Aufbereitungsaggregates in die Steuerung und der Anschluss an die Drehdurchführung sowie eine CO²-Konzentrationsüberwachung sind zu realisieren. Bei größer CO² Verbräuchen ist noch eine zusätzliche Absaugung zu installieren.
• Nachhaltig
  CO² ist ein natürlich in der Luft vorkommendes Gas das man zur Bereitstellung aus der Atmosphäre entnimmt und nach dem Prozess dieser wieder zuführt. Bei großen Anlagen mit großem Verbrauch ist es möglich einen Kreislauf zu bilden und das abgesaugte CO² zu sammeln, mit Hilfe von Erneuerbarer Energie zu verflüssigen und dem Prozess wieder zuzuführen.
Desweiteren kann auch das in der chemischen Industrie und bei der Verstromung fossiler Brennstoffe als Abfallprodukt anfallende CO² eingesetzt und damit einer weiteren Wertschöpfungskette zugeführt werden
• trockener Bearbeitungsraum
  Da die Prozesskühlung durch ein Gas erfolgt, das schwerer als Luft ist, entfallen aufwendige und teure Aggregate und Ausführungen von Einhausungen, wie Kühlschmierstoffaufbereitung, Auffangwannen, Arbeitsraumabdichtungen und wassergeschützte elektrische Bauteile. Auch die Späne sind nicht mehr mit Kühlschmierstoff konterminiert.
• Substitution von Schneidstoffen
  Infolge der Senkung der Temperaturen an der Schneide können die Zerspantemperaturen unter der kritischen thermischen Verschleißgrenze der Schneidstoffe gehalten werden. So sind Schneidstoffe wie Diamant verwendbar, die bisher,bei konventioneller Kühlung, nicht eingesetzt werden konnten.
• gute Späneabfuhr
  Der hohe Systemdruck und das Expansionsverhältniss von 1:600 des flüssigen CO² an der Schneide erzeugen einen sehr hohen Volumenstrom zum Abtransport der Späne aus der Bearbeitungszone. Vor allem bei Bearbeitungen (z.B. Tieflochbohren) mit kleinen Werkzeugen , wo der Kühlmittelkanal sehr klein ist, bietet die CO² Kühlung einen riesigen Vorteil.
• nicht brennbar
  CO² ist ein Lösch-Gas. Durch CO² können keine Explosionen, Verpuffungen oder Brände entstehen bzw. gefördert werden.