Im Werkzeug- und Formenbau werden heutzutage vielfach schwere 5-Achs-Maschinen für die 5-Seiten-Fertigbearbeitung von Werkstücken aus Guss-, Stahl und auch legiertem Stahl eingesetzt. Für das Schruppen, das erfahrungsgemäß rund 20 bis 30 Prozent der Gesamtbearbeitungszeit ausmacht, werden oftmals Fräswerkzeuge mit großem Durchmesser verwandt. Hierfür ist die klassische Bearbeitungsmaschine mit einer Getriebefrässpindel ausgestattet, die in der Regel über ein hohes Drehmoment (800 und mehr Nm) verfügt.
Nahezu unvereinbare Anforderungen
Während der Bearbeitung wirken große Reaktions- und Prozesskräfte auf die Lager, Getriebe, Führungen und die Strukturkomponenten einer solchen Maschine. Daher ist sie sehr robust und steif ausgelegt. Wohl aus der Tradition heraus sind solche Maschinen insbesondere in Bezug auf ihre dynamische Masse, also die Masse der in Bewegung befindlichen Maschinenkomponenten, häufig deutlich überdimensioniert.
Es liegt in der Natur der Sache, dass für das Annähern und das Erreichen der fertigen Werkstückgeometrie, also für das Vorschlichten und Schlichten, kleinere und kleine Werkzeugdurchmesser zum Einsatz gebracht werden. Soll die gleiche Maschine hierfür eingesetzt werden, wird das Fräsaggregat gewechselt.
Eine Hochfrequenzfrässpindel mit höherer Drehzahl (20 000 min-1 und mehr) kommt dann zum Einsatz. Die Prozesskräfte, die nun auf die Maschine und ihre Strukturkomponenten wirken, sind jetzt erheblich geringer. Für die nun durchzuführenden Arbeitsschritte, die rund 70 bis 80 Prozent der Gesamtbearbeitungszeit ausmachen, entwickelt sich die in Bewegung befindliche Masse der Maschine nun massiv zum Nachteil.
Trends µ-genau
Fooke-Endura-Baureihe
Endura-Maschinen mit Linearmotorantrieben sind seit 2004 weltweit im Einsatz. Der Entfall von mechanischen Übertragungselementen in den Linear- und Rundachsen reduzieren den Wartungsaufwand erheblich. Die Diagnosemöglichkeiten etwa für Geometrieveränderungen und Verschleiß und die „Sensoreigenschaften“ reduzieren die Maschinenstillstandszeiten erheblich. Der Hersteller verspricht
- hohe Maschinendynamik
- hohe Vorschubgeschwindigkeiten
- hohe Bahnkonturgenauigkeit entlang der programmierten Bahn
- hohe Produktivität
- geringere Prozesskräfte, geringere Reaktionskräfte auf die Maschine und deren Strukturelemente
- geringerer Verschleiß
- moderate Anschaffungskosten
Maschine für intelligente Strategien
Innovative Unternehmen setzen heute zunehmend auf optimierte Frässtrategien: Hierbei wird von Anfang an die Kontur unter Verwendung kleinerer und mittlerer Werkzeugdurchmesser (bis etwa 63 mm) und relativ geringen Schnitttiefen erzeugt. Der Einsatz einer Getriebefrässpindel ist nicht erforderlich. Zudem gestatten die deutlich geringeren Prozesskräfte den Einsatz von hochdynamischen Maschinen.
Die Fooke GmbH aus Borken im Münsterland baut seit vielen Jahren solche Maschinen. Bei der Entwicklung der Endura-Maschinen wurde konsequent berücksichtigt, dass eben bei der Verwendung von kleineren Werkzeugdurchmessern die Prozesskräfte deutlich geringer sind. Umschlingungswinkel und die Umschlingungsstrecke des Werkzeugs nehmen elementar Einfluss.
Fooke-Endura-Portalfräsmaschinen versprechen eine intelligent konstruierte Maschinenstruktur. Die Strukturkomponenten sind stimmig dimensioniert, werden aus geeigneten Werkstoffen hergestellt und sollen die für ein gutes Fräsergebnis maßgeblichen Eigenschaften Steifigkeit, Masse und Dämpfung in einem optimalen Verhältnis vereinen.
Die Prozesskräfte einerseits und die dynamische Steifigkeit der Maschinenstrukturelemente andererseits sind erheblich für das Fräsergebnis verantwortlich, sprich: für die Oberflächenqualität und die Genauigkeit. Maßgeblich für die Produktivität einer Maschine ist die stimmige Ausführung der Strukturkomponenten, die auf dem optimalen Einsatz von passenden Werkstoffen und passender Masse basiert.
Fooke-Maschinen der Baureihen Endura 700Linear und Endura 900Linear sind so ausgeführt. Kombiniert mit Linearmotoren in allen Linear- und – sofern gewünscht und technisch sinnvoll – mit Torquemotoren in den Rundachsen, zeichnen sich diese Maschinen neben ihrer Größe durch ihre hervorragende Qualität der Bewegungsführung aus: optimale Oberflächenqualität und Genauigkeit, hergestellt in kürzester Bearbeitungszeit.
Als Fräsaggregate kommen leistungsstarke Hochfrequenzfrässpindeln (etwa HSK63A, 42 kW, 24 000 min-1, 67 Nm oder HSK100A, 63 kW, 15 000 min-1, 300 Nm) zum Einsatz.
Hohe Maschinendynamik
Insbesondere die hohe Maschinendynamik einer Endura-Maschine macht bei der Vorschlicht- und Schlichtbearbeitung Potenziale nutzbar: Im Vergleich zu Maschinen, die mit konventionellen Vorschubantrieben und hohen dynamischen Massen arbeiten, sollen die hohen Beschleunigungswerte und konstant hohe Vorschubgeschwindigkeiten einer Endura-Maschine ein insgesamt deutlich höheres Geschwindigkeitsniveau, eine höhere Produktivität bewirken.
Ein weiterer Vorteil von Linear- und Torquemotoren: In eine passende Maschinenstruktur integriert funktioniert ein Direktantrieb quasi wie ein Sensor und kann für die Prozessüberwachung verwandt werden. Kraftüberhöhungen aus Fräsprozessen, Kollisionen, sowie Setzungseffekte des Fundaments, die zu Geometrieänderungen innerhalb der Werkzeugmaschinenstruktur führen, können schnell und eindeutig identifiziert und angezeigt werden. Kollisionsenergien können reduziert werden.
Die kinematische Wirkungskette eines Linearmotorvorschubantriebs besteht „nur“ aus der Spur aus Dauermagneten, den sogenannten „Sekundärteilen“, und dem eigentlichen Motor, dem „Primärteil“. Über das elektromagnetische Feld wird die Vorschubbewegung realisiert. Das elektromagnetische Feld zwischen Primär- und Sekundärteil wird im Stromregelkreis inerhalb von Tausendstelsekunden geregelt.