Dramatisch reduzierte Nebenzeiten quer durch alle Branchen

Von Chefreporter Wolfgang Filì

Wenn Sie eine Maschine suchen, die Ihre Hochgeschwindigkeitsbearbeitung genauso praktikabel wie profitabel macht, liegen Sie mit der A55 garantiert richtig“, verspricht Svend Weidemann, seines Zeichens Geschäftsführer der Makino Werkzeugmaschinen GmbH in Hamburg. Denn spätestens mit der 1999 auf der europäischen Fertigungstechnik-Messe Emo in Paris vorgestellten Version E habe man eine Art Revolution in der Teilefertigung ausgelöst und die Nebenzeiten radikal reduziert. Tatsächlich hatte die Maschine seinerzeit auf Grund ihrer Leistungsdaten für erhebliches Aufsehen gesorgt. Inzwischen hat sie ihren Vorläufer – die seit 1995 gebaute A55D – vollständig abgelöst. 25 bis 30 Einheiten des neuen Zentrums werden jeden Monat im Tokyoter Stammwerk produziert. Ein Drittel davon geht nach Europa, der Rest verteilt sich auf Asien und Nordamerika.

Die A55E sei derart vielseitig, hebt Makinos Europa-Chef hervor, dass ihr Einsatz sich auch in grundverschiedenen organisierten Branchen bezahlt mache. So tue die Hälfte der Maschinen im Fahrzeugbau Dienst, 20 % jeweils in der Flugzeugindustrie und im allgemeinen Maschinenbau sowie weitere 10 % in der Fertigung von Werkzeugen, Formen und Gesenken. Der Grund für solche Spannbreite sei prinzipiell simpel: Stimmen die Grundvoraussetzungen der Maschine, kann der Anwender sie über logisch angelegte Ausbaustufen seinen ureigensten Zwecken anpassen.

So ist das Fräsen, Bohren oder Reiben mit der A55E genauso möglich wie das Schleifen und Honen. Dies gilt sowohl für Leichtmetalle wie auch für hochfesten und gehärteten Stahl bis hin zum Guss. Eine hinreichende Prozessfähigkeit, versichert Weidemann, sei in jedem Bearbeitungsfall garantiert, so wie auch die speziellen Automations- und Verfügbarkeitsanforderungen der Branchen erfüllt würden. „Vor allem der Kfz-Bau und die Präzisionsteile-Fertigung legen Wert auf die Zerspanung mit Hochgeschwindigkeit“, führt derMakino-Chef weiter aus. Hier gehe es darum, die Nebenzeiten kurz zu halten und wettbewerbsfähige Stückkosten zu erzielen. Und exakt in diesem Punkt habe die A55E sich mit Erfolg gegen konkurrierende Konzepte wie die Linearmotortechnik oder Maschinen mit Doppelspindel behaupten können.

Tatsächlich hat das Unternehmen auf Basis des bewährten Kugelgewindetriebs eine Alternative entwickelt, die dem Linearmotor bei den technischen Eckdaten vergleichbar ist und auch über die gesamte A-Baureihe hinweg genutzt werden kann, dynamisch allerdings steifer und kostenfreundlicher sein soll als elektromagnetische Antriebe. Letztere nämlich, erklärt Weidemann, machten lediglich in Maschinen mit kleinen bewegten Massen und geringer Zerspanungsleistung Sinn. Auch die Empfindlichkeit gegenüber Staub und den Spänen von Guss- und Stahlwerkstoffen sei bei dieser Technik noch nicht zufriedenstellend gelöst.

Basis des verbesserten Kugelgewindetriebs ist die zweiseitige Lagerung der Gewindespindel. Diese ist zugvorgespannt und hat eine ebenfalls vorgespannte Doppel-Spindelmutter. Die Spindel selbst ist hohlgebohrt und wird einschließlich der Mutter über ein Kühlsystem rückgekühlt. Durch diese Gestaltung und die dadurch erreichten konstanten Temperaturverhältnisse am Kugelgewindetrieb sind die Strukturdynamik und Langlebigkeit offenbar entscheidend verbessert worden, denn Makino verspricht in diesem Bereich eine Lebensdauer von 30 000 Stunden. Das entspricht etwa sechs Jahren Betrieb. Außerdem wurden eine Positioniergenauigkeit von 4 – 5 µm sowie 2 – 3 µm Wiederholtreue erreicht. Der Kreisformfehler der Maschine liegt zwischen 3 und 5 µm. In Einzelfällen werden diese Werte vermutlich übertroffen, jedoch sind die hier genannten Daten vom Hersteller garantiert.

Mit 80 bis 90 m/min Verfahrgschwindigkeit und einer Achsbeschleunigung zwischen 1 und 1,5 g steht die A55E Maschinen mit Linearantrieben kaum nach. Umgekehrt sind die meisten Doppelspindel-Maschinen in ihren Positionierzeiten wesentlich langsamer. Die kurze Hochlaufzeit der Spindeln und der Werkzeugwechsler machen Span- zu Span-Zeiten unter drei Sekunden möglich und spielen laut Weidemann auch Doppelspindler aus.

Auch das Strukturverhalten der A55E wurde gegenüber den Vorläufern verbessert. Das Bett der Maschine ist eigensteif und hat eine Drei-Punkt-Aufstellung, die Fundamente entbehrlich macht. Die Kräfte fließen auf dem kürzesten Wege – zum Beispiel das Schrägbett in der X-Achse. Alle Kugelführungen sind vorgespannt und groß dimensioniert. Die Kugelgewindetriebe sind wie beschrieben optimiert.

„In ihrer Gesamtheit ist die Maschine thermisch so stabil, dass auch bei harter Beanspruchung eine hervorragende Präzision sichergestellt ist“, stellt Svend Weidemann den Lohn der konstruktiven Anstrengungen noch einmal heraus. Denn die A55E sei thermosymmetrisch aufgebaut und arbeite darüber hinaus mit einem geführten und geregelten Kühlsystem, das die Wärmequellen von den Strukturbauteilen isoliere.

Das Herzstück der Maschine ist freilich ihr Spindelsystem. Das Besondere an ihm sind sein großer Lagerdurchmesser, eine konstante Vorspannung, ein weiter Drehmoment- und Leistungsbereich nebst einer Lebensdauer von über 20 000 Stunden. „Die Präzision und thermische Stabilität des Systems werden durch Makinos jahrzehntelange Erfahrung mit dieser Technologie garantiert“, unterstreicht Svend Weideman. Die wesentliche Basis hierfür bilde – in Verbindung mit der Fliehkraftschmierung – das patentierte, geführte Kühlsystem im Spindelkern, in der Lagerhülse sowie im Motorstator.

Das Verhalten des Bearbeitungszentrums wird sowohl von seiner Struktur beeinflusst, als auch von den Achsantrieben. Letztere entscheiden die Dynamik der Maschine. So werden die optimierten Kugelgewindetriebe über digital geregelte AC-Motore angetrieben, die über digitale Servotechnik, eine leistungsfähige Rechnereinheit und bis zu 1 Million Pulse je Umdrehung auflösende Encoder gesteuert werden. Ausgeklügelte Strategien glätten den Ruck beim Anfahren und Abbremsen, ermöglichen ein Höchst- maß an Dynamik, Genauigkeit und Oberflächengüte. Makino nennt dieses Steuerungspaket Super GI. Das Kürzel steht für Geometric Intelligence. Passungsfräsen in IT6-Qualität, Spiralen- und Kurvenfräsen und 3D-Konturen für Formeinsätze sind die typischen Anwendungen.

Für den Werkzeug- und Formenbau empfiehlt sich die A55E jedoch auch durch die Möglichkeit zur Hartbearbeitung. Denn wenn auf ein und derselben Maschine geschruppt und geschlichtet wird, beeinflusst in erster Linie die mechanische Struktur der Maschine das Arbeitsergebnis. Sollen die Werkstücke komplett und einbaufertig bearbeitet werden, lassen sich auch Messerköpfe und Stirnwalzenfräser einsetzen, die eine ausreichende statische und dynamische Gesamtsteifigkeit des Systems erfordern. Hier setzt die A55E kaum Grenzen. Auch bis zu 70 mm durchmessende und 420 mm lange Tools werden sicher ans Teil gebracht.

Im Flugzeugbau wiederum, wo gehäuft Aluminium- und Integralbauteile bearbeitet werden, bietet sich die Hochleistungszerspanung mit hohem Vorschub und mittleren Schnittgeschwindigkeiten an. Für solche Anforderungen steht eine Spindel mit 30 kW Antriebsleistung und Drehzahlen bis zu 20 000 min-1 zur Verfügung. Auch der Wechsel zwischen der Nass- und Trockenbearbeitung mit Minimalmengenschmierung ist für die A55E kein Problem. Ihre zentrale Späneentsorgung direkt unterhalb der Spindel und die Maschinenabdeckung mit kleinem Umbauungsraum um den Arbeitsbereich beherrschen das grosse Spänevolumen und den Spänetransport.

Wie die Zentren der A-Serie bei dem Gros der Makino-Kunden eingesetzt wird, zeigt ein Beispiel aus der automotiven Branche. So laufen bei einem Systemlieferanten Werkstücke aus den Bereichen Antriebsstränge, Achsmodule und Motorkomponenten auf insgesamt 24 Makino’schen A-Maschinen. Die Fertigung ist hier auf Basis von hochautomatisierten Produktionssystemen aufgebaut. Vier Bearbeitungszentren sind an einem linearen Palettenspeicher- und ein Transportsystem unter Rechnerführung zusammengefasst. Das System produziert störungsfrei. „Interessanterweise läuft fast die Hälfte der von uns gelieferten A-Maschinen mit Automation“, stellt Svend Weidmann fest. In der Tat sind die Hamburger bei solchen Branchenlösungen meist Generalunternehmer für Maschinen, Automation und die verwendeten Verfahren. Das Bearbeitungsbeispiel „Lagerdeckel“ in den untenstehenden Kästen stammt aus dem Teilespektrum dieses Anwenders, der die A55E mit ihrem Produktivitätsgewinn von rund 30 % schon mehrfach im Einsatz hat.

Auf der Emo 2001 in Hannover will Weidemann auf Basis der A55E die komplette A-Serie mit den Typen 66, 77, 88, 99 und 100 zeigen, und zwar von der 400er bis zur Palettengröße 1000, jeweils verteilt auf fünf Maschinengrößen.

Arbeitsbereich

X-, Y-, Z-Achse 560, 560, 560 mm

Palettengröße 400 mm x 400 mm

NC-Drehtisch 0,001 °

Zuladegewicht 500 kg

Kollisionsraum Ø 650 mm x 1000 mm

Leistungsdaten

Arbeitsspindel 18,5 kW

Drehzahlbereich 50 – 14000 min-1

Drehmoment 170 Nm

Eilgang X, Y, Z 84, 84, 94 m/min

Vorschub X, Y, Z 84 m/min

Beschleunigung X, Y, Z 10, 15, 10 m/s2

Tischgeschwindigkeit 40 min-1

Werkzeugsystem

Speicherplätze 29 bis zu 225

Aufnahme Spindel HSK A63

Werkzeuggewicht max. 12 kg

Werkzeugmaße max. Ø 70 mm x 420 mm

Wechselzeit 0,9 s

Span-zu-Span-Zeit 3 s

Anschlusswerte

Aufstellfläche brutto 5,3 m x 3,1 m

Maschinenhöhe 2,8 m

Maschinengewicht 8600 kg

Aufstellung fundamentlos 3 Punkte

Druckluft 5 – 8 bar

el. Einspeisung 220 V, 58,6 kVA