Forschungsprojekt

Funktionserweiterung eines seriellen Fräsbearbeitungszentrums durch adaptive Spindelhalterung

Zielbranchen

Maschinenbau, Werkzeugmaschinenbau, Werkzeugherstellung

Problemstellung

Steigende Anforderungen an die Oberflächengestaltung von Werkstücken machen deren Bearbeitung immer aufwendiger. Dabei stehen sowohl die Maßhaltigkeit als auch die Optimierung von tribologischen Eigenschaften im Vordergrund. Dies kann z. B. durch das Einbringen von Mikrokonturen und -strukturen, die der eigentlichen Geometrie überlagert sind, erzielt werden. Konventionell müssen dazu bestehende Prozessketten in Richtung der Finishbearbeitung erweitert werden. Bekannte und angewandte Verfahren sind z. B. das Laserstrukturieren und Sandstrahlen, die jedoch eine Erhöhung der Durchlaufzeiten, Investitionskosten und des Energieverbrauchs nach sich ziehen.

Lösung

Die Funktionserweiterung von Werkzeugmaschinen durch piezobasierte Zusatzachsen ermöglicht es, Finishbearbeitungsschritte auf Maschinen durchzuführen, die ohnehin für vorherige Bearbeitungsschritte eingesetzt werden. Dies erweitert bestehende technologische Grenzen bei der Bauteilbearbeitung, erschließt neue Fertigungstechnologien oder erlaubt es, Prozessketten neu zu gestalten.

Eine solche Komponente ist z. B. eine am Fraunhofer IWU entwickelte hochdynamische Feinstpositionierung für eine Motorspindel in einem 3-Achs-Fräsbearbeitungszentrum. Als hochgenaue und hochdynamische Antriebe kommen acht piezokeramische Stapelaktoren in Differenzialanordnung zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch hohe erzeugbare Kräfte innerhalb eines breiten Frequenzbandes aus. Die erreichbaren Aktorwege liegen im Bereich mehrerer zehn µm und lassen sich im Sub-µm-Bereich genau ansteuern. Eine parallelkinematische Anordnung der Aktoren bietet deutliche Vorteile gegenüber seriellen Kinematiken.

Das adaptronische System ist in eine Serienmaschine integriert und dient vor allem technologischen Untersuchungen. Im Fokus stehen die Unrundbearbeitung und Mikrostrukturierung von Bohrungen in Zylinderkurbelgehäusen. In Folge kaltstatischer Montageverzüge, inhomogener Wärmedehnung und dynamischer Belastungen im Betrieb kommt es zur Verformung der Zylinderbohrungen, was sich nachteilig auf das Reibungsverhalten und den Ölverbrauch auswirkt. Durch das Einbringen einer Negativform kann der Verzug im Betrieb kompensiert werden. Ein etabliertes Fertigungsverfahren hierfür ist das Brillenhonen, bei dem während des Honprozesses der Verzug durch die Zylinderschrauben mit einer Honbrille »simuliert« wird. Nachteilig sind der hohe Fertigungsaufwand und die Kosten. Der Nachteil, dass nur statischer Zylinderverzug vorgehalten werden kann, wird durch das adaptive Honwerkzeug ausgeglichen. Durch den relativ geringen Materialabtrag entstehen jedoch lange Fertigungszeiten. Mit der adaptiven Spindel wird bereits während des Feinspindelns eine unrunde Kontur erzeugt, indem das Werkzeug, abhängig von der aktuellen Schneidenposition, radial ausgelenkt wird. Der nachfolgende Honprozess greift dadurch auf eine bereits vorkonturierte Bohrung und kann damit, insbesondere in Bezug auf die Prozessdauer, optimiert werden.

© Fraunhofer IWU