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U-Achse im Werkzeug hat sich im Musterbau bewährt

Höhere Qualität und geringere Kosten bei der Komponentenfertigung
U-Achse im Werkzeug hat sich im Musterbau bewährt

In einem Musterbau werden Einzelteile und Kleinserien hergestellt, die für anschließende Versuche höchste Genauigkeiten zu erfüllen haben. Bei Hydraulikkomponenten müssen beispielsweise zahlreiche, eng tolerierte Bohrungen eingebracht werden, die eine große Zahl verschiedener Werkzeuge erfordern. Einfacher und präziser als bisher werden die Bohrungen mit der Komtronic U-Achse der Komet Group erzeugt, wie sich im Musterbau des Bosch-Werks Immenstadt gezeigt hat.

Die Variantenvielfalt bei Fahrzeugen steigt, die Entwicklungszyklen werden immer kürzer. Das wirkt sich auch auf führende Automobilzulieferer wie die Robert Bosch GmbH aus, die den Entwicklungsprozess ihrer Komponenten beschleunigen. Eine Schlüsselrolle nimmt diesbezüglich der Musterbau ein, in dem neue Konstruktionen und zahlreiche Detailverbesserungen Gestalt annehmen, um für anschließende Testphasen bereitzustehen.

Musterbau für ABS, ASR und ESP
Einen solchen Musterbau betreibt die Robert Bosch GmbH in ihrem Werk Immenstadt, das vorwiegend Hydroaggregate für Antiblockiersysteme (ABS), Antriebsschlupfregelungen (ASR) und für Elektronische Stabilitäts-Programme (ESP) produziert. Auch Komponenten der Benzineinspritzung sowie Zündspulen werden dort hergestellt.
Wichtiger Bestandteil des dortigen Musterbaus ist die spanende Fertigung, eine Abteilung mit elf Mitarbeitern. Einer von ihnen ist Markus Mitterhuber, dessen Hauptaufgabengebiet die NC-Programmierung und Zerspanung von Hydraulikkomponenten ist – manuell und mittels CAD/CAM-System. Auch die Konstruktion von Vorrichtungen und speziellen Stufenwerkzeugen sowie die Schnittdatenoptimierung fallen in seinen Zuständigkeitsbereich, ebenso die Herstellung von Mustergehäusen und Prototypen für andere hydraulische Anwendungen. Er erklärt: „In erster Linie arbeiten wir für unsere eigene Niederlassung. Darüber hinaus sind wir aber auch für andere Bosch-Werke tätig.“
Mechatronisches Werkzeug
Mitterhuber ist ein erfahrener Zerspanungsmechaniker. Nach seiner Ausbildung war er drei Jahre in der Serienzerspanung der ABS- und ESP-Komponenten tätig und konnte Knowhow sammeln, das ihm in seiner jetzigen Aufgabe zugutekommt. Bereits seit 14 Jahren arbeitet er im Musterbau und ist hoch motiviert, Verbesserungsmöglichkeiten im Arbeitsablauf aufzuspüren und zu nutzen. Jüngstes Beispiel: die Einführung einer Komtronic U-Achse, eines mechatronischen Werkzeugs der Komet Group.
Unter Komtronic U-Achssystem versteht man eine einwechselbare, frei programmierbare NC-Achse für Bearbeitungszentren, die beliebige Kontur- und Drehbearbeitungen an nicht rotationssymmetrischen Teilen ermöglicht. Zusammen mit maßgeschneiderten Aufsatzwerkzeugen und Wendeschneidplatten können Konturen in Bohrungen sowie Außenbearbeitungen realisiert werden. Das ermöglicht meist eine erhebliche Verkürzung von Fertigungszeiten, bei optimierter Oberflächenqualität und höherer Formtreue als konventionell.
Um das Verbesserungspotenzial zu verdeutlichen, das in diesem sehr speziellen Werkzeug steckt, beschreibt Mitterhuber zunächst das Aufgabengebiet des Bosch-Musterbaus: „Wir bearbeiten hauptsächlich hydraulische Teile und Gehäuse mit einer großen Anzahl unterschiedlicher Bohrungen. Dabei kommt es weniger auf hohen Teiledurchsatz und extrem kurze Bearbeitungszeiten an. Die Stückzahlen bei Erstmustern variieren zwischen einem und 20 Teilen. Vielmehr liegt das Hauptaugenmerk auf Qualität und Flexibilität. Insbesondere die Möglichkeit, schnell auf Konstruktionsänderungen zu reagieren, wird angesichts der geforderten Kürze der Entwicklungsschleifen immer wichtiger.“
Bis zu zehn Werkzeuge für eine Bohrung
Aufgrund der geringen Stückzahlen lohnt es sich nicht, wie in der Serienfertigung Stufenbohrer und -reibahlen aus VHM oder PKD anzuschaffen. Stattdessen werden die Stufenbohrungen in der Regel gefräst und dann klassisch mit vielen verschiedenen Reibahlen und Ausdrehwerkzeugen fertig bearbeitet. Das bedeutet, dass man je nach Komplexität für eine Stufenbohrung fünf bis zehn Einzelwerkzeuge benötigt. Nun sind in einem ABS-Hydroaggregat zwischen fünf und acht verschiedene Typen von Stufenbohrungen zu bearbeiten, an die ein hohes Maß an Genauigkeit und Oberflächengüte gestellt wird. Bohrungsdurchmesser sind zum Teil mit dem Toleranzfeld H6 angegeben, Oberflächen mit Rz = 1 µm. Und von jeder Art Stufenbohrung sind bis zu sechs Stück in einem Hydroaggregat vorhanden. „Das heißt für uns, dass wir für die Bearbeitung eine große Werkzeuganzahl vorhalten und viele Werkzeugwechsel ausführen müssen“, beschreibt Mitterhuber die Konsequenzen.
Der Musterbau des Bosch-Werks Immenstadt ist mit modernen Maschinen und Werkzeugen ausgerüstet. Im Maschinenpark befinden sich zurzeit ein 3-Achs- und ein 4-Achs-Bearbeitungszentrum sowie zwei 5-Achs-Bearbeitungszentren. So können die Mitarbeiter stets die passende Maschine wählen und wahlweise von 2,5D- bis zu 5-Achs-Simultanbearbeitungen durchführen. Auf dem Werkzeugsektor für Dreh- und Fräsmaschinen gehört unter anderem die Komet Group seit langem zu den bevorzugten Lieferanten. Das Spektrum reicht von Gewindeformern und -fräsern über Reamax Reibahlen, Vollbohrern, Bohrstangen bis zu Uniturn-Drehstählen.
Kontakt entstand auf einer Messe
Auf dem Messestand der Komet Group anlässlich der AMB 2006 wurden Mitterhuber und seine Kollegen erstmals auf das Komtronic U-Achssystem aufmerksam: „Für uns war sehr schnell klar, dass diese einwechselbare U-Achse die ideale Lösung für die Bearbeitung unserer Erstmuster ist. Denn damit können wir nahezu beliebige Durchmesser erzeugen und zum Beispiel Änderungen von Stufenbohrungen direkt umsetzen.“ Schließlich werden gerade während der ersten Musterphase die Bauteile verhältnismäßig oft geändert bzw. optimiert, was unmittelbare Folgen für die Programmierung und Fertigung im Musterbau hat.
Installation eines U-Achs-Systems
Mit der Anschaffung eines neuen 5-Achs-Universal-BAZ Grob G350 im Februar 2012 war dann auch die Installation eines Komtronic U-Achssystems vom Typ UHS115 verbunden. Das mechatronische Werkzeug ist laut Mitterhuber aus dem täglichen Geschäft inzwischen nicht mehr wegzudenken: „Mit der U-Achse haben wir bislang nur positive Erfahrungen gesammelt.“ Er zählt die Vorteile: verbesserte Qualität der Teile, kürzere Bearbeitungszeiten, auf Änderungen an Bauteilen kann sofort reagiert werden, keine Anschaffung von teuren Stufenwerkzeugen in der Erstmusterphase, weniger Werkzeuge im Einsatz, Kundenwünsche können sofort umgesetzt werden, und die Stückkosten wurden reduziert.
Konkret sieht die Arbeit mit der U-Achse so aus: Die Musterbauer können sämtliche Stufenbohrungen mit wenigen Werkzeugen fertigen. Die Stufenbohrung wird auf einem Bearbeitungszentrum aufgebohrt, gegebenenfalls noch vorgefräst. Die Fertigbearbeitung übernimmt die U-Achse. Die Drehkonturen werden als Unterprogramm gespeichert und können bei Bedarf in jedes beliebige Gehäuse mit einbezogen werden. „Wir sparen uns viel Zeit bei der Bearbeitung, und trotzdem wird die Qualität der Bohrungen unseren hohen Anforderungen gerecht. Ebenso sparen wir im Werkzeugmagazin der Maschine eine Menge Platz, wodurch sich auch die Rüstzeiten reduzieren. Wenn man berücksichtigt, dass für manche Bohrungen bis zu zehn Werkzeuge eingestellt und die einzelnen Bearbeitungen programmiert werden mussten, hat sich neben der Rüstzeit auch die Bearbeitungszeit um mindestens 80 Prozent pro Bohrung reduziert.“
Kostensparende Spezialbearbeitung
Bei einer Spezialbearbeitung wirkt sich die neue U-Achse besonders kostensparend aus: Bevor ein Bosch ABS/ESP auf den Markt kommt, wird es auf Herz und Nieren, sprich auf kritische Maße, geprüft. Hierzu werden sogenannte Grenzmuster hergestellt, bei denen sämtliche Passungsdurchmesser, Bohrungs- und Stufentiefen, Fasen und Übergangsradien bewusst am oberen und unteren Rand der Toleranzfelder gefertigt werden. Hierzu ist es teilweise notwendig, teure VHM-Werkzeuge schleifen zu lassen, da die geforderten Maße ansonsten nicht oder nur sehr schwierig herzustellen sind. Diese Sonderwerkzeuge finden anschließend keine Verwendung mehr. Durch den Einsatz der Komtronic U-Achse können sich die Musterbauer die Sonderwerkzeuge komplett sparen. Denn sie ist in der Lage, jeden beliebigen Durchmesser frei programmiert zu erzeugen.
Markus Mitterhuber resümiert: „Mechatronische Werkzeuge gehören meiner Meinung nach in jeden Musterbau, der viele Bohrungen, insbesondere Stufenbohrungen, bearbeiten muss. Aufgrund der vielfältigen Vorteile möchten wir in Zukunft jede Neumaschine im Musterbau mit einer U-Achse ausrüsten.“
Komet auf der EMO: Halle 4, A06

Einwechselbare NC-Achsen für Bearbeitungszentren
Komet KomTronic U-Achssysteme bestehen im Wesentlichen aus einem kompakten Plandrehkopf mit Einfachschieber, der mittels Servomotor angetrieben wird. Die Energie zur Versorgung der Elektronik und des Antriebs sowie die Daten werden berührungslos induktiv in das U-Achssystem übertragen. Dazu ist spindelseitig ein sogenannter Stator angebaut. Auf der U-Achsseite gewährleistet die ringförmige Induktiv-Übertragungseinheit den Daten- und Energieaustausch in jeder Winkellage. So sind die mechatronischen U-Achssysteme – dank frei programmierbarer und während der Bearbeitung dynamisch einstellbarer Schneide – automatisch einwechselbare NC-Achsen. Eingebunden in die Maschinensteuerung erfolgt die Programmierung in der üblichen NC-Programmiersprache mit allen Funktionalitäten. Die KomTronic U-Achssysteme ermöglichen beliebige Kontur- und Drehbearbeitungen an nicht rotationssymmetrischen Teilen. Zusammen mit Standardwerkzeugen oder maßgeschneiderten Aufsatzwerkzeugen und optimal ausgewählten Wendeschneidplatten können Konturen in Bohrungen sowie Außenbearbeitungen realisiert werden.
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