Sanft gleiten, produktiv zerspanen

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aerospace

Sanft gleiten, produktiv zerspanen

Hydrostatische Lagerung sorgt für Leistungssprung in der Titanbearbeitung

Ein kleiner Schubs – und der zwölf Tonnen schwere Ständer beschleunigt auf dem Maschinenbett ohne weiteres Zutun. Dieses Szenario können EMO-Besucher am Starrag-Messestand live erleben. Der Maschinenhersteller zeigt dort sein neu entwickeltes 5-Achs-Bearbeitungszentrum STC 1250 HD, dessen horizontale Linearachsen hydrostatisch gelagert sind. Daher kommt das reibungsfreie Gleiten, das deutlich höhere Abtragsleistungen, verbesserte Dynamik und längere Werkzeugstandzeiten mit sich bringt.

»Das wesentliche Merkmal hydrostatischer Führungen ist der permanente Ölfilm zwischen dem Schlitten und dem Bett bzw. dem stehenden Strukturteil.«

Die STC-Baureihe ist wegen ihrer guten statischen und dynamischen Eigenschaften für die simultane 5-Achs-Schwerzerspanung von Titanund Inconelteilen prädestiniert.

Schon seit vielen Jahren setzen Starrag- Maschinen Massstäbe in der wirtschaftlichen Bearbeitung von Strukturbauteilen, Multiblades und Casings, wie sie in der Luftfahrtindustrie und Energieerzeugung benötigt werden. Die STC-Baureihe ist wegen ihrer guten statischen und dynamischen Eigenschaften für die simultane 5-Achs-Schwerzerspanung von Titan- und Inconelteilen prädestiniert. Die Maschinen sind mit der Starrag-eigenen, robusten Getriebespindel und einem extrem kompakten Schwenk-Fräskopf ausgestattet, der den Einsatz von kürzeren und damit stabileren Werkzeugen ermöglicht und so zu einer effizienten Bearbeitung beiträgt. Um diese Effizienz bei der Titanbearbeitung noch weiter zu steigern, haben die Schwerzerspanungsspezialisten von Starrag verschiedenste Untersuchungen angestellt. Bernhard Güntert, Leiter Versuchsfeld bei der Starrag AG, erklärt: »Knackpunkte sind vor allem die Steifigkeit und die Dämpfungseigenschaften der Maschine. Diese Faktoren haben weitreichende Auswirkungen auf die mögliche Spantiefe sowie den Werkzeugverschleiss und damit auf die Wirtschaftlichkeit.«

Hydrostatik steigert die Performance

Wichtigstes Untersuchungsergebnis: In Sachen Schwingungsdämpfung sind hydrostatische Führungen nicht zu toppen. Ein Gebiet, auf dem Starrag durchaus schon Erfahrungen vorweisen kann. Rainer Hungerbühler, Sales Director Aerospace and Turbines, wirft einen Blick zurück: »Vor über 15 Jahren hatten wir bereits hydrostatisch geführte Bearbeitungszentren. Allerdings liess die Dynamik dieser Maschinen zu wünschen übrig, weshalb wir die nachfolgende STC-Baureihe mit Rollenführungen ausstatteten. Angesichts der heutigen Kundenanforderungen und der gewonnenen Erkenntnisse wollten wir das wieder ändern.« So griffen die Starrag-Entwickler das Thema Hydrostatik von Neuem auf und erzielten ein beeindruckendes Ergebnis, wie Rainer Hungerbühler begeistert bestätigt: »Unsere neue STC 1250 HD ist fantastisch. Schon die ersten Versuche haben gezeigt, dass sie beim Schruppen einen völlig neuen Benchmark hinsichtlich der Abtragsraten setzt. Und selbst in der Dynamik hat sie erhebliche Vorzüge zu bieten.«

Ein Blick hinter die technischen Kulissen

Rolando Senn ist der federführende Konstrukteur bezüglich der Hydrostatik. Er erläutert die Stärken dieser Technik: »Das wesentliche Merkmal hydrostatischer Führungen ist der permanente Ölfilm zwischen dem Schlitten und dem Bett bzw. dem stehenden Strukturteil. Dadurch findet keine Berührung zwischen den Führungsleisten statt, und der Schlitten verfährt völlig reibungsfrei.« Dank dieser Reibungsfreiheit entsteht kein Verschleiss, und das Öl dämpft die beim Zerspanen entstehenden Schwingungen. Die grossen Auflageflächen sorgen zudem für enorme Steifigkeit. »Diese haben wir noch weiter erhöht, indem wir anstatt eines statisch offenen Systems eines mit vorgespannten Umgriffsführungen gewählt haben«, erklärt Rolando Senn. Um diese Stärken einordnen zu können, muss man die wesentlichen Merkmale anderer Führungssysteme betrachten. So haben hydrodynamische Führungen viele ähnliche Eigenschaften wie die hydrostatischen, aber einen grossen Nachteil: Die Führungselemente berühren sich im Stillstand. Erst mit der Bewegung bildet sich der trennende Ölfilm, weshalb beim Anfahren eine Haftreibung zu überwinden ist, die den unerwünschten Stick-Slip-Effekt verantwortet. Reine Gleitführungen weisen ebenfalls einen Stick-Slip-Effekt auf und unterliegen zusätzlich hoher Reibung und entsprechendem Verschleiss. Rollenführungen sind nicht so reibungs- und verschleissbehaftet, aber auch weniger steif und dämpfend. Zudem treten beim Abwälzen Mikrovibrationen auf, die bei Schlichtoperationen die Oberflächenqualität beeinträchtigen können.

Dreifaches Spanvolumen beim Schruppen

Die grössten Vorteile beim Einsatz der hydrostatischen Führungen zieht der Anwender aus der Schruppbearbeitung. Durch die – gegenüber Rollenführungen – deutlich höhere Steifigkeit und Dämpfung lassen sich die Spantiefen um das Dreifache steigern. Dementsprechend reduzieren sich die Schruppzeiten.

Der Dämpfungseffekt ist hör- und fühlbar – oder anders gesagt: Das Zerspanen ist kaum wahrzunehmen. Bei einer Testbearbeitung waren davon selbst erfahrene Zerspaner überrascht, wie Rainer Hungerbühler berichtet: »Wir standen direkt neben der Maschine und nahmen kaum Geräusche und Vibrationen wahr. Erst ein Blick durchs Fenster zeigte uns, dass der Zerspanungsvorgang bereits begonnen hatte, sich der Fräser im Volleingriff befand und richtig dicke Titanspäne flogen.«

Auch beim Schlichten profitiert die neue STC 1250 HD von der hydrostatischen Lagerung. Durch die erhöhte Steifigkeit kommt es zu geringeren Nickbewegungen des Ständers, die ansonsten den Ruck und die Beschleunigung limitieren. »Um die Dynamik zu unterstützen, haben wir bei der STC 1250 HD zusätzlich die Arbeitsstränge robuster ausgeführt«, ergänzt Rolando Senn. »Statt wie bisher einen Kugelgewindetrieb von 63 mm Durchmesser einzusetzen, nutzen wir bei der HD nun einen mit 80 mm Durchmesser. Das bedeutet 61 % mehr Querschnittsfläche, was 1:1 in die Steifigkeit in Achsrichtung eingeht.« Die höhere Dynamik macht sich in höheren Anfahrgeschwindigkeiten, Beschleunigungen und schnelleren fünfachsigen Bewegungen bemerkbar. So reduzieren sich letztendlich auch die Schlichtzeiten.

Mit der hydrostatischen STC 1250 HD gelang es, die Schruppzeit zu halbieren und die gesamte Bearbeitungszeit um insgesamt 30 % zu reduzieren.

Stark reduzierter Werkzeugverschleiss

Einer der grössten Kostenfaktoren bei der Titanbearbeitung sind die Werkzeuge, die einem starken Verschleiss unterliegen. Die gute Dämpfung sorgt diesbezüglich für enorme Verbesserungen, also deutlich längere Standzeiten, selbst wenn die Drehzahlen erhöht werden. Laut Rolando Senn ein riesiges Einsparpotenzial: »Bei einer intensiven Maschinennutzung relativieren die Einsparungen die Mehrkosten der Hydrostatik.« Die reibungsfreie Bewegung der beiden Linearachsen und das Ausbleiben von Mikrovibrationen kommt zudem der Genauigkeit und Oberflächengüte zugute, insbesondere bei der 5-Achs-Simultanbearbeitung mit ihren häufigen Richtungsänderungen. Für weitere Prozessoptimierungen sorgt Starrag mit Druck- und Temperatursensoren, mit denen die hydrostatischen Führungen ausgestattet sind. Anwender können damit die Belastungen auf die Führungen während des Prozesses verfolgen und die gespeicherten Daten für weitere Anpassungen nutzen.

Die wahren Werte zeigen sich in der Praxis

Am Beispiel eines typischen Strukturbauteils, einer Rahmentür mit Abmessungen von 80 × 300 × 1.220 mm, stellte Starrag einen Vergleich zur bisherigen STC 1250 her. Das 37,1 kg schwere Schmiedeteil aus Ti6Al4V besass 13 mm Aufmass pro Seite und musste auf 5,5 kg zerspant werden. Die Vorgabe: eine perfekte Oberfläche bei dünnen Wänden und Böden. Mit der hydrostatischen STC 1250 HD gelang es, die Schruppzeit zu halbieren und die gesamte Bearbeitungszeit um insgesamt 30 % zu reduzieren. Anhand dieser Werte lässt sich ein weiterer, auf den ersten Blick unerwarteter Vorteil berechnen: der geringere Energieverbrauch beim Schruppen. Denn durch die halbierte Schruppzeit spart sich der Anwender – trotz der um ein Drittel höheren Leistungsaufnahme – die Hälfte der bisher benötigten Antriebsleistung plus die der Grundlast ein, die aus dem Stromverbrauch von KSS-System, Hydraulik, Pneumatik, Kühlung etc. besteht. Insgesamt errechnet sich beim beispielhaften Bauteil ein um 33 % geringerer Energieverbrauch.

Ein weiterer Pluspunkt: der minimale Wartungsaufwand

Aufgrund der fehlenden Reibung verschleissen beim hydrostatischen System die Führungsschienen nicht, die bei Rollenführungen alle fünf bis zehn Jahre aufwendig getauscht werden müssen. Ausserdem ist das gesamte hydraulische System ausgesprochen wartungsfreundlich. Dazu ein kurzer Blick in die Technik der hydrostatischen Lagerung. Bei der Starrag STC 1250 HD liefert das Hydrostatikaggregat das Öl mit einem Druck von 80 bar aktiv in die Drucktaschen der Führungsplatten. Dort baut sich ein Staudruck auf, der zwischen Bett und Schlitten einen 0,02 bis 0,03 mm grossen, mit Öl gefüllten Spalt erzeugt. Das permanent am Führungsrand austretende Öl fliesst am Bett entlang zurück in einen Auffangbehälter. Eine weitere Pumpe fördert es über einen Umschaltfilter zurück ins Hydrostatikaggregat.

Die unerwünschte Vermischung des Hydrostatiköls mit anderen Ölen vermeidet Starrag auf simple Weise. Rolando Senn erklärt: »Wir verwenden auch für die Schmierung des Drehtisches und anderer Lagerungen das Hydrostatiköl. Selbst wenn an diesen Komponenten kleine Ölmengen verloren gingen, würden sie im Hydrostatiktank landen, wo sie keinen Schaden anrichten. Im Gegenteil. Wenn im Laufe der Zeit die Menge geringfügig zunimmt, kann man etwas Öl ablassen und damit an der Ablassschraube gesammelte Verunreinigungen entsorgen.«

Um Service- und Instandhaltungsmassnahmen vorzubeugen und sichere Prozesse zu gewährleisten, schützt Starrag die Führungsschienen und den damit verbundenen hydrostatischen Kreislauf gleich doppelt vor Schmutz, Wasser und Spänen: mit Teleskopabdeckungen aus Stahl und einem darunter befindlichen Faltenbalg.

Auch für den Worst Case, einen Crash, hat Starrag vorgedacht und einen ersten Verschleisspunkt definiert. Die in den Führungen verbauten Drucktaschen sind aus einem Material gefertigt, das deutlich weicher ist als das Maschinenbett und daher die meiste Energie aufnehmen kann. Da sich diese Taschen einfach austauschen lassen, hält sich bei kleineren Unfällen der Schaden in Grenzen.

»Wir standen direkt neben der Maschine und nahmen kaum Geräusche und Vibrationen wahr.« Rainer Hungerbühler, Sales Director Aerospace and Turbine

Und wie sieht es mit den Kosten aus?

Die hydrostatische Führung ist teurer als eine Rollenführung. Das schlägt sich beim Maschinenkauf natürlich kostenseitig nieder. Doch entscheidend sind letztendlich die Stückkosten. Durch verkürzte Bearbeitungszeiten amortisiert sich der höhere Anschaffungspreis meist in relativ kurzer Zeit.