Vollautomatisierte Fertigung 05.05.2021, 07:00 Uhr

Komplettbearbeitung von Turbinen- und Spezialwellen ohne Bedienereingriff

In hoch technisierten und sensiblen Industriebereichen steigen die Anforderungen an die Fertigung komplexer Bauteile stetig. Mit Blick auf die „Cost-per Part“ und die hohen zu erreichenden Genauigkeiten rückt die Fehleranfälligkeit bei Produktionsprozessen immer stärker in den Mittelpunkt.

Innenbearbeitung mit einer Systembohrstange mit aussteuerbarer Schneide: Das patentierte neue Verfahren reduziert den Ausschuss und optimiert die Qualität, ohne dass ein Maschinenbediener eingreifen muss. Foto: Niles-Simmons

Innenbearbeitung mit einer Systembohrstange mit aussteuerbarer Schneide: Das patentierte neue Verfahren reduziert den Ausschuss und optimiert die Qualität, ohne dass ein Maschinenbediener eingreifen muss.

Foto: Niles-Simmons

Auch die schwierige Bearbeitung hochfester Materialien ist in innovativen Technologiesegmenten immer öfter gefragt. Beispielsweise trifft das auf die Luft- und Raumfahrtindustrie oder die Sektoren „Defense“ und Energietechnik zu. Zugleich ist es immens wichtig, eventuelle Fehler in der Bearbeitung hochkomplexer, kostenintensiver Werkstücke zu reduzieren.

Um diesen Forderungen Rechnung zu tragen, wurde der vollständig automatisierte und patentierte Bearbeitungs- und Messprozess „Center Axis Alignment“ entwickelt. Er eignet sich speziell für die Bearbeitung von Turbinenwellen. Das neue Verfahren gestattet die Komplettbearbeitung komplizierter, tieflochgebohrter, wellenförmiger Werkstücke inklusive aller Inprozess-Messungen ohne manuelle Eingriffe eines Bedieners. Ziel des Bearbeitungsprozesses ist es dabei, die Außenkontur des Werkstücks exakt an die Innenkontur anzupassen, um eine gleichmäßige Wanddicke des Bauteils entlang seiner Achse zu erreichen. Das Verfahren ist für alle elektrisch leitenden Materialien wie einfache Stähle, aber auch für Superlegierungen oder Nickelbasis-Legierungen wie Inconel 718 anwendbar und lässt sich – neben Turbinenwellen – auch für weitere tieflochgebohrte Werkstücke mit bis zu 2 Metern Länge anwenden.

Komplettbearbeitung von Turbinenwellen ohne menschlichen Eingriff in den Bearbeitungsprozess.

Foto: Niles-Simmons

Spezielle Maschinenkonfiguration macht das innovative Verfahren möglich

Umgesetzt wird der neue Prozess auf einem Bearbeitungszentrum „N30MC“ von Niles-Simmons mit einer Spitzenweite von 4500 mm und einem Umlaufdurchmesser von 780 mm, welches speziell für diese Bearbeitung konfiguriert wurde. Zu der spezifischen Ausstattung der Maschine gehören dabei eine Hautspindel, ein Dreh-Fräs-Aggregat, ein absenkbarer Reitstock, zwei Lünetten-Schlitten mit je einer Lünette und einer Dämpfungseinheit sowie ein Bohrstangen-Schlitten.

Weiterhin stehen, sowohl für den Bohrstangenschlitten als auch für das Dreh-Fräs-Aggregat, voneinander unabhängige Werkzeugmagazine zur Verfügung. Für die mehrachsige Dreh-Fräs-Einheit können im hauptspindelseitig platzierten Magazin bis zu 144 Werkzeugplätze bereitgestellt werden. Für den Bohrstangenschlitten stehen in einem zusätzlichen Bohrstangenmagazin reitstockseitig bis zu 16 Plätze zur Verfügung. Es können bis zu 2 Meter lange Systembohrstangen, angetriebene Bohrstangen, statische Bohrstangen, statische Bohrstangen mit aussteuerbarer Schneide, Messlanzen oder eine Kassette mit Antrieb und Futterfunktion eingesetzt werden.

Der Prozess "Center Axis Alignment“ ist hier auf einem Bearbeitungszentrum "N30MC" integriert.

Foto: Niles-Simmons

Mit dieser Konfiguration lassen sich, insbesondere durch den Einsatz des absenkbaren Reitstocks, alle derzeit am Markt vorhandenen Typen von Turbinenwellen in den unterschiedlichen Längen auf einer Maschine bearbeiten. Auch besonders lange Bauteile können, speziell aufgrund dieser Option, problemlos bearbeitet werden, ohne dafür eine Baugröße mit größerer Aufstellfläche wählen zu müssen.

Zudem können prinzipiell alle spanenden Technologien wie Drehen, Fräsen, Bohren, Verzahnungsfräsen, Gewindebohren, Gewindefräsen, Gewindedrehen, Reiben, Spindeln, Innenbearbeitung mit aussteuerbarer Schneide, „Power Skiving“, 5-Achs-Fräsen und Tieflochbohren bis 2000 mm Tiefe prozesssicher abgebildet werden. Auch das taktile und optische Messen der Werkzeuge und taktiles Messen des Werkstücks werden automatisiert innerhalb der Maschine durchgeführt. Mit den Dreh- und Fräsverfahren werden dabei Genauigkeiten unter 5µm erzielt.

Aufgrund der Integration aller notwendigen Technologien in eine Maschine, der automatisierten Werkzeugbestückung und dem Einsatz komplexer Messtechnologien kann eine bedienerlose Komplettbearbeitung prozesssicher abgebildet werden.

Zur Erzielung einer erhöhten Temperaturstabilität und zur Sicherstellung der kundenseitig geforderten Genauigkeiten trotz Temperaturschwankungen wird ein flüssigkeitsgekühltes Spezialbetonbett eingesetzt. Zudem verfügen die Bearbeitungszentren über dämpfende und schwingungsreduzierende Komponenten wie Finite-Elemente-optimierte Schlitten-Geometrien, hydraulisch geklemmte Komponenten der Werkstückstützkomponenten (wie Reitstock und Lünettenschlitten), Dämpfungsflächen in Bearbeitungsrichtung und Rollenführungen der Bearbeitungsachsen. Um eine übersichtliche und einfache Bedienung zu gewährleisten, kommt ein Siemens „OP19“ mit zusätzlichem Touchscreen zur Prozessüberwachung zum Einsatz.

Der patentierte Messprozess steht im Mittelpunkt

Das zentrale Element dieses Sonderverfahrens ist der neue Messprozess zur Ermittlung der optimalen Wellenzentrumsachse. Dieser wurde durch den Chemnitzer Werkzeugmaschinenbauer entwickelt sowie patentiert und basiert auf der Anwendung des Wirbelstrommessprinzips. Damit wird der Abstand zwischen dem eingesetzten Wirbelstromsensor und dem Werkstück erfasst.

Wirbelstromsensor zur Ermittlung der optimalen Werkstückzentrumsachse.

Foto: Niles-Simmons

Dieses Prinzip zählt zu den berührungslosen induktiven Messprinzipien, welches auch durch nichtleitende Werkstoffe messen kann, ohne dass diese einen Einfluss auf das Messergebnis haben. Das Verfahren ist daher ideal für den Einsatz im rauen Industrieumfeld geeignet. Staub, Schmutz und Öl beeinflussen die Messung nicht. Temperaturschwankungen werden durch eine effiziente Temperaturkompensation ausgeregelt.

Durch die vollständig automatisierte Messwertaufnahme lässt sich der Prozess bedienerlos durchführen – vom ersten Einspannen des Werkstücks, bis dieses in seinem neuen Zentrum gespannt ist. Hierbei wird ein spezieller Wirbelstromsensor samt Auswerteeinheit der Firma µEpsilon eingesetzt, welcher auf die werkstückspezifischen Eigenschaften kalibriert wurde. Dieser kann bei einer Auflösung von unter einem Mikrometer einen Messbereich von bis zu 9 mm abdecken.

Der Sensor ist an der Spitze einer 2000 mm langen Karbonlanze montiert, die in eine auswechselbare modulare Messkassette integriert ist. Somit kann der Sensor über die Maschinenachsen des Bohrstangenaggregates im Arbeitsraum der Maschine innerhalb des tieflochgebohrten Werkstücks positioniert und bewegt werden. Wenn der Sensor einmal positioniert ist, lassen sich über die Rotation des Werkstücks in einer beliebigen Feinheit die Abstände zwischen dem Sensor und dem Werkstück messen.

Die Karbonmesslanze im unterstützt im Prozess „Center Axis Alignment“ die automatische In-Prozess-Bestimmung der optimalen Wellenzentrumsachse.

Foto: Niles-Simmons

Aus diesen Messdaten kann der Zentrumspunkt des betrachteten Durchmessers berechnet werden. Entlang der Werkstücklängsachse lassen sich mit dieser Methode beliebig viele Zentrumspunkte ermitteln, welche den aktuellen Bohrungsverlauf abbilden.

Mit der Kenntnis des Bohrungsverlaufs wird aus den berechneten Zentrumspunkten der ideale neue Verlauf der Zentrumsachse berechnet. Diese Zentrumsachse bildet dann die Grundlage zur Bearbeitung der neuen Spannsitze des Werkstücks für dessen Aufnahme in die neue Spannsituation. Mithilfe dieses automatisierten Prozesses kann die Abweichung des Außenkonturverlaufes zum Innenkonturverlauf auf ein Minimum reduziert werden und so eine gleichmäßige Wandstärke der Welle entlang ihrer Achse hergestellt werden.

Kundennutzen: Ausschuss vermeiden, Qualität maximieren

Der wesentliche Vorteil des „Center Axis Alignment“ ist die vollautomatisierte Vermessung, Ausrichtung und Bearbeitung von tieflochgebohrten Werkstücken ohne Bedienereingriff. Alle für den Prozess notwendigen Schritte laufen vollautomatisch innerhalb programmierter Prozessgrenzen ab. Mitunter fehlerbehaftete manuelle Bedieneingriffe oder fehleranfällige manuelle Messprozesse, welche bei bisherigen konventionellen Abläufen erforderlich waren, entfallen vollständig. Damit ist es möglich, die Produktion von Ausschussteilen auf ein Minimum zu reduzieren und die Qualität der Werkstücke signifikant zu verbessern. Ungeeignete Rohteile können zudem bereits am Anfang des Prozesses identifiziert und ausgeschleust werden. Aufgrund der Integration aller Technologien und Messprozesse in eine Maschine lassen sich darüber hinaus die Taktzeiten verkürzen und Logistik- sowie Handling-Prozesse reduzieren.

Das Messverfahren ist unempfindlich bei Umgebungseinflüssen wie Temperaturschwankungen oder Fremdstoffen. Es kann für verschiedenste Materialien flexibel eingesetzt werden. Durch den modularen Aufbau der Niles-Maschinen lassen sich zudem auf der gleichen Maschine unterschiedliche Werkstücktypen bearbeiten und In-Prozess vermessen. Dies schafft maximale Flexibilität für den Kunden. Das Verfahren konnte am Markt inzwischen erfolgreich in die Turbinenwellenfertigung integriert werden.

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Bild: Niles-Simmons

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