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Zerspanung mit Robotik: Fräsen von Batterie-Gehäusen

Für manche Oberflächen und Toleranzen ist ein BAZ überdimensioniert
Zerspanung mit Robotik: Drei Roboter fräsen Batterie-Gehäuse

Wie Roboter bei der Zerspanung neben dem Entgraten auch fürs Fräsen, Bohren oder Gewindeschneiden eingesetzt werden können, zeigt ein Blick in die Praxis von Kadia.

Seit vielen Jahren konzipiert Kadia Entgrat-Roboter-Zellen auf der Basis von 6-Achs-Industrierobotern. Das Nürtinger Unternehmen verfolgt bei seinen Entgrat-Roboter-Zellen zwei Konzepte:

  • Entweder der Roboter greift sich das Werkstück und bewegt es an fest stehende Werkzeuge
  • oder der Roboter führt selbst die Werkzeuge, etwa Fräser – das ist der anspruchsvollere Fall.

Ein Beispiel ist das Entgraten von großen Zahnrädern – genauer gesagt die Kantengestaltung. Die Zahnräder erhalten bis zu 5 mm große Fasen. Als Werkzeug kommt dafür ein VHM-Schaftfräser zum Einsatz. Die Programmierung ist komplex, da die Fräser der Evolventenkontur der Zahnflanken folgen.

Eine Weiterentwicklung sind Entgrat-Automations-Zellen, in denen der Roboter neben dem Entgraten auch Handlingaufgaben am Bearbeitungszentrum übernimmt. Er legt die Bauteile auf, entnimmt sie wieder und ist bei Bedarf auch Schnittstelle für benachbarte Anlagenteile wie Qualitäts- oder Waschstationen. Das Entgraten ist also nur eine Aufgabe unter mehreren.

Bearbeitung mit Robotern

Darüber hinaus entwickelt Kadia noch eine dritte Kategorie: Bearbeitungs-Roboter-Zellen. „Immer mehr Kunden fragen nach, ob es mit dem Roboter z.B. möglich sei, auch ein Gewinde oder eine Planfläche anzubringen“, erklärt Jannik Weiss, Vertrieb Entgratmaschinen bei Kadia. Wenn der Entgratroboter, der häufig nach der mechanischen Bearbeitung die Prozesskette fortsetzt, den anderen Bearbeitungsmaschinen Arbeit abnehmen kann, lässt sich unter Umständen viel Zeit sparen.

„Wir positionieren uns dadurch ein Stück weit neu“, erklärt Henning Klein, Geschäftsführer bei Kadia. „Da wir ein langjähriges Know-how mit unseren Entgrat-Roboter-Zellen gesammelt haben, ist der Schritt zur robotergestützten mechanischen Bearbeitung kein großer mehr.“

Grundsätzlich eignet sich ein 6-Achs-Industrieroboter für die unterschiedlichen Zerspanungstechnologien: Bohren, Fräsen, Gewindeschneiden. Vorteil des Roboters: Er ist – im Vergleich zu einem BAZ – eine flexible und kostengünste Bearbeitungslösung. Allerdings ist der Roboter durch seine vergleichsweise geringere Steifigkeit limitiert in Sachen Genauigkeit. Der Robotereinsatz ist daher meist auf Anwendungen mit großen Toleranzen und geringen Spantiefen beschränkt.

Fräsen von Batterie-Gehäusen

Eine Anwendung, für die sich ein Roboter bestens eignet, ist die Bearbeitung der Trennflächen an Aluminum-Gehäusewannen für die Aufnahme von Fahrzeug-Batterien. Diese Gehäuse aus Strangpressprofilen mit Crashschutzstrukturen sind quasi die Nachfolger der Treibstofftanks. Die benötigten Stückzahlen steigen rasant an. Aufgrund der geforderten Oberflächenanforderungen und Toleranzen wäre ein BAZ überdimensioniert. Ein Roboter hingegen genügt den Anforderungen an die Maßhaltigkeit und spielt dabei seine Kostenvorteile sowie seine Flexibilität voll aus.

Kadia entwickelte daher ein entsprechendes Bearbeitungskonzept für einen Automobilhersteller. Die Aufgabe im Detail: Fräsen der Trennflächen mit anschließendem Bürstentgraten, so dass die Rahmen später mit einem Deckel aus Stahl verschraubt und abgedichtet werden können.

Ein wichtiges Detail der Kundenanforderung waren ebene Fräsflächen mit geringer Welligkeit. Der Auftraggeber gab die Qualität der Flächen mit Rz 20 µm / Ra 4 µm an.

Zum Einsatz kommt eine Zelle mit drei Robotern: Um die Taktzeit einzuhalten sind auf einer Werkstückseite – hier ist der Bearbeitungsumfang größer – zwei Roboter notwendig, auf der anderen Seite ist einer ausreichend. Die Roboter-Zelle benötigt weniger als 80 s für die Komplettbearbeitung, d.h. Fräsen inklusive Bürstentgraten. Und für den Fall, dass eine künftige Werkstückvariante mit weiteren Details zu bearbeiten wäre, bietet die Zelle noch Platz für einen vierten Roboter.

Versuche, die im Vorfeld mit Fräswerkzeugen durchgeführt wurden, zeigten, dass die Minimierung von Schwingungen das große Thema bei der Festlegung fast aller Bearbeitungsparameter in der Roboterzerspanung ist. Die Schneidengeometrie, Makro- und -Mikrogeometrie, sind z.B. wichtige Stellschrauben, da sie die Schnittkräfte maßgebend beeinflussen. Unter anderem ist die Spantiefe ein zentrales Kriterium, die Anwendungstechniker begrenzten diese auf 2 mm um die Schwingungen zu reduzieren. Daneben optimierten sie die Schnittgeschwindigkeiten und Zahnvorschübe, so dass Rattermarken vermieden werden.

Die Kühlung der Schneiden erfolgt bei der Bearbeitung mittels Minimalmengenschmierung. Für die Realisierung der Schnittdaten sind auf dem Roboterarm montierte, programmierbare Spindeleinheiten verantwortlich. Sie bilden eine 7. Achse. Die so beschriebene Lösung erreicht Rz = 10 µm / Ra = 2 µm für die Oberflächen. Die vom Anwender geforderten Werte werden also um den Faktor 2 unterschritten.

Einfache Bedienung

Eine Zelle mit drei Robotern ist auf den ersten Blick eine komplexe Anlage. Ihre Bedienung ist aber einfacher als gedacht. Kadia konzipiert die Zellen so, dass der Bediener weder CNC-Programmierer noch Roboterspezialist sein muss. Weiss: „Jeder Metallfacharbeiter, der eine technische Zeichnung versteht, ist in der Lage, unsere Roboterzellen zu bedienen.“

Für jedes Bearbeitungsdetail wird nur ein Masterpunkt definiert. Dieser ist leicht zu korrigieren. Die Anfahrtswege und Übergangsbewegungen zum nächsten Merkmal sind vorgegeben. Jedes prozessrelevante Maß am Werkstück kann im Klartext aus der Zeichnung abgelesen werden.“ Daraus folgt: Sollte ein Werkstück außerhalb der Toleranz liegen, kann der Bediener die entsprechenden Werkstück- und Werkzeugkoordinaten schnell und einfach selbstständig korrigieren.

Kadia Produktion GmbH + Co.

www.kadia.de

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