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Aussteuerbare Aufbohrwerkzeugsysteme für den automatisierten Werkzeugwechsel

Für den Einsatz in Bearbeitungszentren
Aussteuerbare Aufbohrwerkzeugsysteme für den automatisierten Werkzeugwechsel

Zur Senkung von Fertigungskosten sind Unternehmen bestrebt, neben Fertigungs- und Rüstzeiten besonders Stillstandszeiten der Maschinen zu reduzieren. Hierzu zählen unter anderem auch die manuelle Bestückung der Maschine mit Werkzeugen und Werkstücken durch den Maschinenbediener, die ein Öffnen der Maschinentüren und somit eine Prozessunterbrechung erfordern. Die Autoren: Christian Böhner, Dr.-Ing. Florian Welzel

Um Fertigungszeiten effektiv reduzieren zu können und manuelle Eingriffe in den Prozess kontinuierlich zu minimieren, ergibt sich die Motivation, die Maschinen durch geeignete Automatisierungslösungen zu einer nahezu autarken Fertigung zu befähigen.

Die Integration geeigneter Zerspanungswerkzeuge in automatisierte Fertigungsabläufe hängt dabei im Wesentlichen von den geometrischen Vorgaben der zur Verfügung stehenden Werkzeugwechselsysteme ab. Bearbeitungszentren sind durch integrierte Werkzeugspeicher in der Lage, eine Vielzahl an Zerspanungswerkzeugen zur Verfügung zu stellen, wobei der Fokus auf einer möglichst großen Anzahl an Werkzeugplätzen liegt. Durch die begrenzten Platzverhältnisse innerhalb der Maschinen sind solche marktüblichen Werkzeugwechsler vorrangig für die Aufnahme von langen, schlanken Schaftwerkzeugen ausgelegt.

Ausbohrwerkzeuge, wie sie zur Erzeugung hochgenauer Pass- und Führungsbohrungen eingesetzt werden, unterliegen ebenfalls, bedingt durch ihren aus der Funktionsweise resultierenden Aufbau, diesen Beschränkungen. Dabei handelt es sich um einen Werkzeuggrundkörper, der um eine feste Achse rotiert, mit verstellbaren Schneiden, die auf den zu fertigenden Durchmesser voreingestellt werden. Im Vergleich zum Zirkularfräsen ist bei Aufbohrwerkzeugen keine Interpolation der Achsen notwendig, womit sich sehr geringe Abweichungen in der Rundheit und Zylinderform erzielen lassen. Daher lassen sich mit solchen Werkzeugen hochgenaue Passsysteme (IT6) mit einer sehr guten Oberflächengüte bei gleichzeitig hohen Abtragsraten realisieren.

Die GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden hatte es sich daher zum Ziel gesetzt, die fertigungstechnischen Vorteile solcher Werkzeugsysteme innerhalb automatisierter Fertigungsprozesse durch die Entwicklung neuartiger, aktorischer Aufbohrwerkzeuge effizient nutzen zu können. Die zu entwickelnden Werkzeuge sollten dabei für ein breites Spektrum an marktüblichen Bearbeitungszentren, ohne den zwingenden Einsatz einer Sonder-Werkzeugspindel oder Modifikation der maschineneigenen Werkzeugwechselsysteme, geeignet sein.

Unterschiedliche Funktionszustände

Um die Werkzeuge für die Integration in moderne Wechselsysteme zu qualifizieren, sollten diese in der Lage sein, je nach Anforderung unterschiedliche Funktionszustände annehmen zu können. Zum einen ist das eine Wechselstellung, innerhalb deren die eingefahrenen Werkzeuge von ihren Abmessungen her bei einer Vollplatzbelegung in das Werkzeugwechselsystem der Maschine integriert werden können. Zum anderen ist das eine Bearbeitungsstellung, für die die Werkzeuge im Bearbeitungsraum auf den zu fertigenden Bohrungsdurchmesser ausgefahren und in dieser Position fixiert werden können. Die Ansteuerung der Aus- bzw. Einfahrbewegung wird dabei ohne den Einsatz zusätzlicher Telemetrie durch die integrierte Steuerung der Maschine und über den Kühlschmierstoffstrom realisiert.

Die Umsetzung der einzelnen Funktionszustände erfolgt durch den Einsatz aussteuerbarer Schieberkörper, die über einen innenliegenden Getriebemechanismus synchron aus- bzw. eingefahren werden können. Innerhalb der Schieber sitzen fein verstellbare Feinbohrpatronen mit wechselbaren Schneidelementen, mit denen der Fertigungsdurchmesser, bei Bedarf auch auf der Maschine, angepasst werden kann. Zur Aufnahme der während des Zerspanvorganges wirkenden Kräfte können die Schieber wiederholgenau geklemmt bzw. zum Einsteuern wieder gelöst werden.

Für die Integration in den Prozess werden die Werkzeuge im Vorfeld auf den zu fertigenden Durchmesser eingestellt, wobei die Schieber manuell zur Einstellung in der ausgefahrenen Position fixiert werden können. Zur Bohrungsbearbeitung wird das voreingestellte und zusammengefahrene Werkzeug zunächst aus dem Werkzeugspeicher in die Werkzeugspindel der Maschine eingewechselt und kann dann innerhalb des Bearbeitungsraumes auf den vorher eingestellten Durchmesser ausgefahren werden. Anschließend werden diese in ihrer Position fixiert und es erfolgt die eigentliche Bohrungsbearbeitung, wobei sowohl ein Bohren mit zwei parallelen Schneiden als auch ein Stufenbohren mit einer abgesetzten Schneide zur Vergrößerung der Spantiefe möglich ist.

Am Ende der Bearbeitung wird die Klemmung gelöst und die Werkzeuge können wieder komplett eingefahren werden, wobei durch die eingezogenen Schneiden auch eine Beschädigung der gefertigten Bohrungsoberfläche beim Herausfahren vermieden wird. Der komplette Fertigungsablauf inklusive Ein- und Aussteuerbewegung wird dabei über den G-Code in das CNC-Programm integriert.

Fertigungskosten einsparen

Mit den von der GFE entwickelten Werkzeugprototypen kann über einen Bereich von Ø 90 bis 138 mm die Erzeugung hochgenauer Bohrungen mit geringsten Oberflächenrauheiten stufenlos abgedeckt werden. Ein weiterer Vorteil liegt in der effizienten Platzbelegung im Werkzeugwechsler. Durch die universelle Einsatzmöglichkeit in einer Vielzahl von handelsüblichen CNC-Bearbeitungsmaschinen wurde die Basis dafür geschaffen, solche Aufbohroperationen besser in automatisierte Bearbeitungsprozesse integrieren zu können. Die Anwender können durch den Einsatz solcher Werkzeugsysteme die Stillstandzeiten ihrer Fertigungsanlagen reduzieren und somit Fertigungskosten einsparen.

GFE – Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden
www.gfe-net.de


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