Near-Net-Shape-Drehen: Automatisierung für moderne Fertigung vereinfachen

Near-Net-Shape (NNS) Drehen hat sich über zwei Jahrzehnte in den Fertigungsmainstream vorgearbeitet. Die Idee ist fast jedem in der Fertigung verständlich. Im Kern bedeutet NNS-Drehen einfach: Drehen von Teilen, die nahe an den Endabmessungen gegossen oder geformt wurden. Die Implikationen entfalten sich weiter, während Maschinen, Werkzeuge und Prozesse neue Entwicklungen aufnehmen.

Die meisten NNS-Drehbearbeitungen umfassen Bearbeitung sehr weniger Merkmale – oft ein oder zwei, selten mehr als drei. NNS-Drehen verursacht oft Spannschwierigkeiten, da typische Teile oft dünnwandig sind oder ohne Spannvorrichtungen/Referenzmaße gegossen/geformt wurden. Da typische NNS-Drehoperation die finale Finishingoperation ist, fällt sie meist in Hochpräzisionsdrehen, -bohren oder -planen.

Die wichtigste Implikation von NNS-Drehen ist jedoch der Einfluss auf Automatisierungstrends. Wenn Spanzeit ein kleinerer Teil der Gesamtzykluszeit wird, werden Werkstückhandling und Werkzeugwechsel zu Haupthindernissen für bessere Effizienz. NNS-Drehen hat sich entwickelt, um hervorragend mit einfachstem Werkstückhandling und Werkzeugwechsel zu funktionieren – ein Trend, der etwas über NNS-Drehen hinausreicht und konventionelle Vorstellungen herausfordert, wie viel Komplexität gut für Fertigungseffizienz und Gesamtkosteneffektivität ist.

Teile schnell rein und raus bekommen

"Unser Job: Teile so schnell und konsistent wie möglich in und aus der Maschine bekommen", sagt Dan Kruse, Operations Manager bei Bearing Technologies, Inc., Div. of MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Er bezieht sich auf Lagersitze, die sein Unternehmen fertigt – aus zugeschnittenen 4118-Stahlrohrabschnitten. Obwohl der Job nur marginal NNS-Operation ist (bis 0,080 Zoll Materialabtrag in bis zu drei Schnitten), nutzt er die Automatisierungstechnologie und den Gesamtprozessansatz, den NNS-Drehen gefördert hat.

Bearing Technologies nutzt zwei vierachsige Gang-werkzeugmaschinen, zu einer Zelle verbunden durch lineares Portal-Transfersystem. Die Maschinen spiegeln den Einfluss von NNS-Drehen auf Produktionsdrehmaschinendesign wider. Klein, eng gekoppelt, Kapazität für nur ein oder zwei Werkzeuge auf je zwei kreuzschlittenmontierten („Gang“-) Werkzeugblöcken – fokussiert auf Kleinteile mit Bearbeitung weniger Merkmale.

Ohne Revolver zum Indexieren: Schneller Werkzeugwechsel. Schnittzeit minimiert durch vierachsiges, zweiwerkzeugsimultanschneiden. Aber nur 15 % der kurzen 30-40 Sekunden Zykluszeiten entfallen auf Werkstückhandling. Be- und Entladezeiten so weit wie Stand der Technik erlaubt minimiert.

Bearing Technologies nutzt extremes Beispiel schnellen, einfachen Be-/Entladens: Schwerkraftzuführung über Rutsche in einer geraden Linie mit einer Handhabungsbewegung. Nur für Ring-/Scheibenteile geeignet, trifft aber NNS-Werkstückhandling-Ziel. Rutschensystem nutzt minimale mechanische Bewegung, lädt im kürzest praktischen Pfad.

Vorgänger: Zwei-Achs-Drehmaschinen mit konventionellen Ladern. Schnittzeit 25 % länger als neue vierachsige Maschinen. Größter Unterschied: Werkstückhandling. Gesamtzykluszeit war ca. dreimal länger vor Umstieg auf Schwerkraftlader.

Schleiferähnliche Toleranzen

Viele NNS-Anwendungen fordern Maschinenpräzision bis ans Limit – oft Schleifoperationen ersetzend, komplettes Drehen in einem Schritt oder in einem Durchlauf durch Zelle, die beide Teilenden dreht. Hartdrehen fällt oft in diese Kategorie. Für Pulvermetallurgie (PM) Zahnräder, Buchsen, Kleinteile ist Hartdrehen ernsthafter Schleifkonkurrent. Diese Arbeitsklasse als NNS-Unterkategorie denkbar – gleiche Anforderungen an Handlingeffizienz und Genauigkeit.

Auch Prämie auf Maschinensteifigkeit und Werkzeugauslegung. Keramik bei leicht belastetem Hartdrehen, aber polykristallines kubisches Bornitrid (PCBN) brachte Hartdrehen in die Serienfertigung. Diese Werkzeuge halten lange Läufe, produzieren große Verschleißkonsistenz – bei sorgfältiger Schneidenvorbereitung.

Präzises NNS-Drehen, hart oder weich, erfordert meist Extra-Anwendungsentwicklung. Werkzeugaufspannungen und -materialien kritisch für weiche wie harte Teile, wo lange Läufe mit hoher Genauigkeit und feiner Oberflächengüte kombiniert sind. Viele solche Teile stellen spezielle Spann-/Futteranforderungen.

Kleine Kolben für Rasenmäher illustrieren NNS-Drehens Besonderheiten. Präzisionsdruckguss mit dünnen Wänden, ohne zugängliche Referenzen – schwer präzise zu spannen, verziehen leicht. Dennoch oft Kolbenläufe auf ±50 Millionstel Zoll (0,000050") drehbar.

Geringes Gewicht Ziel für kleine Kolben – natürliche Anwendung für Präzisionsdruckguss. Gussprozess erzeugt keine Spannmerkmale im Teilinneren. Volle Außendurchmesserbearbeitung nötig, einziges Referenzdatum für Spindelachse: Kolbenkuppel/-krone innen.

Drehen = beidseitige Bearbeitung: Fertigbearbeiteter Außendurchmesser am Kronenende muss am Lauf fortgesetzt werden, ohne Konzentrizitätsverlust. Dünne, leicht verziehbare Laufwände erschweren dies.

Antwort: Kombination aus empfindlicher Präzisionsluftspannung und eingedrehten Backen – gehärtete für Hochvolumenproduktion. Luftspanner bei 60-70 psi max. Leitungsdruck lösen viele Dünnwand-NNS-Spannprobleme. Spannen präzise über breiten Druckbereich (ca. 30 psi bis max. 70). Selbst mit glatten Backen: ausreichender Halt bei niedrigen Drehkräften (Aluminiumkolben).

Doch mehr als präzises Spannen nötig für Genauigkeit bei Dünnwandteilen. Kolben haben weiteres Problem: Kolbenbolzenbohrungen, die wir auf koordiniertem Bearbeitungszentrum in derselben Zelle reiben, liegen in dünnwandigen Bosses. Diese heizen im ersten Drehschritt schnell auf und schließen sich beim Abkühlen – erweitern/verringern Außendurchmesser um 0,00015-0,00020 Zoll. In manchen NNS-Anwendungen extrem schwer zu kompensierende thermische Verformungen.

Flexibilität und Thermosensitivität von NNS-Teilen treiben Entwicklung besserer Spannerlösungen voran. Backen auf der Maschine fertigbearbeiten = Standardpraxis. Auch konisch ausbohren zur Kompensation möglicher Biegung üblich. Wurzel gehärteter Backen auf größeren Durchmesser als Enden bearbeiten (0,00005-0,0001 Zoll) empfohlen.

Backen für maximale Kontaktfläche bei niedrigem Druck designen nötig. Selbst dann können Schnittkräfte Backenhaltekraft übersteigen → Teile rutschen. Normale Vierkantverzahnungen helfen wenig, aber scharfe Verzahnungen, anwendungsspezifisch gefertigt, zeigen guten Erfolg. Praktischste Herstellung: Als Anbau-Einsätze, gedreht und verzahnt entlang Spindelachse als einzelnes Zylinderstück, dann zu einzelnen Backeneinsätzen abgesägt.

Verzahnungen machen feine Spuren am Teil – lösen nicht jedes Spannproblem. Aber einige sehr schwierige. Eine Anwendung: Drehen eines Druckguss-390-Aluminiumbuchsen, glatte Backen → Rundheitsvariationen 0,0001-0,0003 Zoll durch Backendruck gegen Verrutschen und inkonsistente Trennlinie am Außendurchmesser. Mit verzahnten Backen: Druck erhöhbar, Out-of-Roundness verbessert auf 30-50 Millionstel (0,000030-0,000050) Zoll.

Gehärtete Teile: Noch größere Spannschwierigkeiten. Verrutschen Problem durch höhere Schnittkräfte. Viele Teile, besonders Zahnräder, nicht auf einfacher geometrischer Fläche spannbar.

Spannen auf Teilkreisdurchmesser = theoretisches Ideal. Wenn Locating-Bohrung/Buchse bearbeitet wird (meist der Fall), soll fertiges Zahnrad auf Teilkreis laufen für leisen, ruhigen Betrieb. Bei Kegelrad oder Stirnrad: Teilkreis kaum offensichtliche Spannfläche. Man sieht ihn nicht – theoretischer Kreis auf Zahnradzähnen.

Lösung: Teilkreisspannvorrichtungen. Gehärtete, erosive „Zahnrad“flächen, die auf Spannfutter montiert werden und mit Werkstück verzahnen – sichern konzentrischen Lauf auf Teilkreis. Beim Kontakt verzahnen sich beide Zahnradformen natürlich auf Kreis geringster Interferenz – glücklicherweise der Teilkreis selbst.

Hochvolumen-Kegelradanwendung bei Black & Decker, Easton, Maryland, läuft seit Jahren in Serienfertigung. Gehärtete, kupferinfiltrierte PM-Teile werden auf Gang-werkzeugmaschine mit PCBN-Werkzeugen gefräst/gebohrt. Teilkreisvorrichtung erfordert Teileindexierung beim Laden, um Crash Zahnspitze-zu-Zahnspitze zu vermeiden – nächstes großes Thema bei automatisiertem NNS-Drehen: Werkstückhandlingsysteme.

Werkstückhandling für NNS-Drehen

Werkstückhandling für NNS-Drehen muss schnell sein – Zykluszeiten hängen davon ab. Zahnradladen zeigt: Vielseitigkeit nötig für so knifflige Aufgaben wie Zahnradzahn-Ausrichtung zur Vorrichtung. Eine bemerkenswerte Entwicklung des NNS-Drehens: schnelle, vielseitige Be-/Entladesysteme, die auch einfach, in der Werkzeugmaschine enthalten und mit Standard-CNC steuerbar sind – idealerweise dieselbe CNC, die die Drehmaschine steuert.

Das ist „selbstkonnte Automatisierung“ – Definition: Typische zeitgenössische NNS-Drehmaschine: Gang-werkzeugt, weil wenige Merkmale bearbeitet. Gangwerkzeug = enge mechanische Kopplung zwischen Schneidwerkzeug und Maschinenbett → steif, inhärent präzise bauartbedingt, keine Revolverbuchsen/Indexiergetriebe.

Portal-Lader auf Maschinenbett aufgebaut, direkt angebunden. Greiferweg streng geradlinig: von Werkstückbereitstellungskarussell, das in Werkzeugmaschine integriert ist. Greiferkopf bewegt sich entlang Maschinenbettlänge und senkrecht an den Enden – Aufnehmen/Absetzen an Karussell und Spannfutter.

Aktuelle Portal-Lader: Programmierbare Antriebe, spannfutterähnliche Greifer mit weichen Backen. Teilewechsel schnell. Da Be-/Entladebewegungen wenige sind, Wege nur eine Achse gleichzeitig: Programme kurz. Speicherbar/steuerbar in Maschinen-CNC.

Inherently präzises, sehr kompaktes, modulares Paket – eignet sich für einfache Montage Mehrmaschinenzellen. Portal-Lader können Zwischen-Transfersystem speisen, gleiche einfache Geradlinigkeit, zum Teiletausch zwischen Maschinen.

Zurück zur Zahnradanwendung: Erfordert Teileorientierung, aber Greifer sind spannfutterähnlich und indifferent beim Aufnehmen vom Karussell. Wie orientieren? Pause an Zwischenstation, wo Teil auf rotierende Vorrichtung fällt, die per Lichtstrahl Zahnposition erkennt und Zahnrad dreht, um Crash zu vermeiden. Greifer nimmt Teil wieder auf und fährt zum Spannfutter fort.

So ist beschriebenes Portalsystem einfach, aber nicht simplistisch; durch Programmierbarkeit erweiterbar für Zusatzaufgaben am Teil. Orientieren ist eine. Messen eine andere für Online-SPC.

NNS-Drehen fordert Genauigkeit und Geschwindigkeit, ermöglicht einfaches Werkzeug- und Werkstückhandling durch typische NNS-Teileart. Daraus entstandene automatisierte Drehzentren sind einfach ohne simpel zu sein: Programmierbar für Spezialaufgaben inkl. Messen und Teileorientierung.

Faktisch sind diese automatisierten Drehzentren vorgepackte Automatisierung. Schnell einzurichten, extreme Genauigkeiten fähig, vielseitig – weisen Weg zu besserer Automatisierung für viele andere Bearbeitungsanwendungen, nicht nur Drehen von Near-Net-Shapes.