Funktionserweiterung von Werkzeugmaschinen mittels mechatronischer Komponenten am Beispiel Formbohren

Abstract

Zur Steigerung der Ressourceneffizienz und Flexibilität, müssen Prozessketten der mechanischen Fertigung verkürzt und in flexiblen, modularen Maschinensystemen umgesetzt werden. Ein kritischer Punkt ist dabei die Integration der Finishbearbeitung, die heute noch mit separaten Maschinen und Stationen erfolgt. Die dort realisierten aufwendigen Fertigungsverfahren (z. B. Honen) erfordern eine zusätzliche Spannung eines Werkstückes bzw. die Notwendigkeit sehr genauer Palettensysteme, die zu hohen Kosten führen. Eine weitere Herausforderung entsteht durch die verschärften Anforderungen an die zu fertigenden Teile sowie durch den Wunsch nach hochgenauen Konturen und definierten Oberflächen. Offenkundig wird dieses Problem bei prismatischen Teilen mit Zylinderbohrungen für Zylinder-Kolben-Systeme. Die im Betriebszustand durch Temperaturdifferenzen auftretende unterschiedliche Spaltgröße zwischen Kolben und Zylinder sollte möglichst durch die Berücksichtigung der Dehnungsdifferenz bei der Finishbearbeitung ausglichen werden. Allerdings wäre hier bei Verwendung einschneidiger Werkzeuge eine Verlagerung der Wirkstelle Werkzeug/Werkstück notwendig, die die Leistungsfähigkeit der Antriebsstränge in heutigen Werkzeugmaschinen deutlich übersteigt. Daher erzeugt man die spezielle Feinstkontur gegenwärtig in grober Näherung durch das Verspannen des Werkstückes (Brillenhonen) oder zum Teil durch mechatronische Honwerkzeuge mit piezoaktorischen Zusatzantrieben. Die Herstellung der definierten Oberflächenfeingestalt, z. B. bei Motoren in Form von Mikroschmiertaschen, ist werkzeugabhängig. Dem üblichen Ausspindeln mit einschneidigem Werkzeug folgt deshalb heute in einem zusätzlichen Verfahrensschritt ein aufwendiges Ziehschleifen/Honen mit begrenzten Einflussmöglichkeiten. In dem vorliegenden Artikel wird die Entwicklung einer Maschinenkomponente, die die Verfahrensentwicklung bei der Finishbearbeitung von Zylinderbohrungen ermöglicht, vorgestellt. Im Mittelpunkt steht eine aktive Komponente mit (hochdynamischen) piezobasierten Zusatzachsen für Werkzeugmaschinen. Durch die Integration von hochdynamsichen Zusatzachsen in bestehende Werkzeugmaschinen sollen die Fertingungsgrenzen erweitert und Prozessketten verkürzt werden. Im konkreten Anwendungsbeispiel der Zylinderbearbeitung wird der bisher bestehende Prozessschritt des Feinbohrens durch einen neuen Prozessschritt das Formbohren ersetzt. Der Schneidbewegung beim Ausspindeln wird, mit Hilfe der aktiven Komponente, eine hochdynamische Zustellbewegung des Werkzeuges überlagert, um eine Feinstkontur und/oder eine definierte Oberflächenfeigestalt zu realisieren. Bei den dafür gewöhnlich benutzten Ausbohrwerkzeugen bedeutet dies, dass die Zustellung mindestens mit der doppelten Drehfrequenz des Werkzeuges erfolgen muss. Die Einführung des neuen Prozessschrittes Formbohren hat zur Folge, dass aufwendige werkstückseitige Zusatzeinrichtungen und Prozessvorbereitungen für die Finishbearbeitung nicht mehr erforderlich sind und nachfolgende Prozessschritte verkürzt werden oder entfallen können. Im Ergebnis der Arbeiten sollen erzielbare Oberflächenkonturen und -strukturen dargestellt werden sowie ein Ausblick auf die möglichen ökologischen und ökonomischen Vorteile eines solchen Systems im Betrieb aufgezeigt werden