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Deutlich reduzierte Fertigungszeiten

: Pama


Als Hersteller von Maschinen und Anlagen für die Erzeugung von Stahl- und Nichteisenprodukten steht bei der SMS Siemag AG in Hilchenbach die Qualität und somit die Präzisionsfertigung der Teile und Baugruppen im Mittelpunkt sämtlicher Produktionsprozesse. Die hoch beanspruchten Maschinen und Anlagen für die Hütten- und Walzwerksindustrie arbeiten über Jahrzehnte rund um die Uhr. Diese Arbeit soll außerhalb der Wartungszyklen möglichst störungsfrei verlaufen. Grundlage dafür ist unter anderem die Präzision innerhalb kleiner Fertigungstoleranzen bei allen beweglichen Teilen, wie Getriebe, Lager, Wellen und Zahnräder. Seit Juni 2011 arbeitet ein PAMA Fahrständer-Bohrwerk Speedram 3000 im Bereich der mechanischen Fertigung von Großgetrieben.

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Das Fahrständer-Bohrwerk Speedram 3000 steht auf einer Fläche von 300 m². Dazu kommen noch Flächen für periphere Einrichtungen wie Werkzeugschränke für Werkzeuge und Spannmittel sowie für die Werkzeugarena. (Bilder: PAMA)

Das Fahrständer-Bohrwerk Speedram 3000 steht auf einer Fläche von 300 m²....

Autor: Peter Springfeld, Freier Fachjournalist

Die heutige SMS group - eine Unternehmensgruppe zu 100 Prozent in Familienbesitz - mit den Hauptsäulen SMS Siemag und SMS Meer hat ihren Ursprung in der 1819 gegründeten Mechanischen Werkstätte Harkort sowie in der 1834 aufgebauten Dahlbrucher Eisengießerei Gebrüder Klein. „Auf unseren Anlagen“, beschreibt Andreas Prümm, Werks- und Investitionsplanung, „werden Brammen aus Stahl, Aluminium oder Nichteisenmetallen zu Blechen in einem Dickenbereich von 0,1Millimeter (Kaltwalzwerke) bis 300Millimeter (Grobblechwalzwerke) gewalzt. Dieser Dickenbereich gibt bereits einen Hinweis auf die vielschichtigen Anforderungen an unsere Anlagen in Richtung Stabilität und Präzision. Anlagen für die Herstellung von Profilen fertigt unser Schwesterunternehmen SMS Meer. Weitere Herausforderungen bestehen in der wirtschaftlichen Fertigung der Teile und Baugruppen. Die Kern-Know-how-Teile, wie Maschinengestelle, Antriebselemente und Getriebegehäuse fertigen wir selbst. Zur Eigenfertigung gehören auch extrem schwierig herzustellende Bauteile sowie terminlich kritische Teile. Ein Beispiel sind hochgenau zu fertigende Getriebewellen mit einer Läge von etwa einem Meter und einem Durchmesser von circa 200Millimeter, die mit einer maximalen Drehzahl von 18.000 U/min eingesetzt werden.“

Konzentration der Großgetriebefertigung

Es gibt eine Reihe von Wegen, die zu einer wirtschaftlicheren Fertigung sowie zur Verkürzung von Lieferzeiten führen. Stets gehören die Erhöhung der Produktivität der Teilefertigung und die Optimierung logistischer Prozesse dazu. „Aus diesem Grund“, erläutert Andreas
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Die X-Achse bietet einen Fahrweg von 18.000 Millimetern.

Die X-Achse bietet einen Fahrweg von 18.000 Millimetern.

Prümm, „haben wir für den Bereich der Großgetriebefertigung neue Strukturen geschaffen. Es ging um die Konzentration der Teile- und Baugruppenbearbeitung von Großgetrieben. In zwei eigens zu diesem Zweck investierten Fertigungshallen von zusammen etwa 4.000 m² führten wir in unmittelbarer Nähe zur schweißtechnischen Fertigung die mechanische Bearbeitung der Verzahnungsteile und der Getriebegehäuse sowie die Vor- und Endmontage zusammen. Mit der Neustrukturierung konnten wir die Transportprozesse optimieren und ein erhebliches Stück zur angestrebten Rationalisierung der Fertigung beitragen. Zu den Zielen der Neuinvestition gehörte neben der Senkung der Fertigungskosten die Reduzierung der Lieferzeit für Großgetriebe um bis zu 40Prozent. Für die mechanische Bearbeitung benötigten wir ein großes Bohrwerk. Aus dem Pflichtenheft ergab sich die Notwendigkeit für eine hohe Qualität der Bearbeitung und damit für hohe Positioniergenauigkeiten der zu installierenden Maschine. Sie sollte eine Toleranz innerhalb von 0,01Millimeter auf der gesamten Teilelänge von 4 bis 5Meter garantieren.“ „Genau zur Zeit der Investitionsentscheidung“, schildert Willi Vogel, PAMA-Vertriebsbevollmächtigter, „konnte PAMA kurzfristig das passende Bohrwerk liefern. SMS Siemag konnte sich bei der schnellen Entscheidung auf die zwei bereits zuverlässig arbeitenden PAMA-Bohrwerke stützen und hat, wie sich heute herausstellt, mit der Aufstellung des Speedram 3000 Bohrwerks genau richtig gelegen.“

Präzisionsarbeit im Schwermaschinenbau

Beim Fahrständer-Bohrwerk der Baureihe Speedram 3000 handelt es sich um das Modell der mittleren Größe. „Auch wenn wir prinzipiell unsere Maschinen modular aufbauen“, hebt Willi
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Blick auf die V-Achse des Dreh- und Verschiebetischs

Blick auf die V-Achse des Dreh- und Verschiebetischs

Vogel hervor, „so ist doch jede Maschine ein Unikat, weil wir jede Maschine exakt nach Kundenwunsch bauen und mit sehr unterschiedlichen Zusatzausrüstungen bestücken.“ Das Fahrständer-Bohrwerk Speedram3000 besitzt alle Eigenschaften, um die Fertigungsaufgaben und die geforderten Fertigungsgenauigkeiten zu erfüllen. Dem Ständer steht auf der X-Achse ein Fahrweg von 18.000Millimeter zur Verfügung. Entlang der Y-Achse kann der Spindelkasten in senkrechter Richtung auf einem Weg von 6.000Millimeter fahren. Der Axialverfahrweg der Traghülse in Z-Richtung beträgt 1.400Millimeter. Zusätzlich kann die Bohrspindel auf der W-Achse noch um weitere 1.200Millimeter ausgefahren werden. Der mit 100.000kg belastbare Dreh- und Verschiebetisch lässt sich auf der V-Achse auf 2500Millimeter quer zur X-Achse verfahren. Neben der enormen Tragfähigkeit des Tisches unterstreicht auch die Aufspannfläche von 3.500 x 4.000Millimeter die Möglichkeit, große Werkstücke zu bearbeiten.

Vielfältig sind die thermischen Einflüsse bei der mechanischen Bearbeitung. Genauso zahlreich sind aber auch die Maßnahmen, die PAMA dagegen setzt. Dazu zählt die doppelwandige Ausführung des Ständers. „Sie bewirkt“, hebt Willi Vogel hervor, „nicht nur eine höhere mechanische Stabilität, sondern auch eine deutlich bessere Thermostabilität. Bei der Minimalmengenschmierung der Spindellager geht es weniger um die Reduzierung der Ölversorgung, sondern genau wie bei den anderen Lagern um die Sicherstellung der Ölzuführung, die neben der Schmierung auch für die Thermostabilisierung zuständig ist. Die Maschine arbeitet mit geschlossenen Kühlkreisläufen für sämtliche Schmiermittel, so dass sie mit einer definierten Temperatur wieder in die Maschine zurückfließen. Das heißt, auch die Kühlschmiermittel, die von innen und von außen
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Wirksame Werkzeug- und Werkstückkühlung.

Wirksame Werkzeug- und Werkstückkühlung.

an die Werkzeugschneide geführt werden, sorgen nicht nur für ein sicheres Ausspülen der Späne, sondern auch für die Kühlung des Werkstücks. Darüber hinaus bietet eine von PAMA patentierte, automatische Echtzeit-Kompensation möglicher Längenausdehnungen der Bohrspindel beziehungsweise der Traghülse, eine weitere Möglichkeit, Wärmeeinflüsse zu Gunsten der Präzisionsbearbeitung zurückzudrängen.“

Bei den hohen Genauigkeitsanforderungen gehört auch die automatische Kompensation des Durchhangs der Traghülse, der Schwerpunktverlagerung des Spindelkastens sowie der Neigung des Ständers beim Ausfahren der W- und Z-Achsen zu den Maßnahmen, um die Präzision zu garantieren. Die Traghülsenkompensation erfolgt über zwei Zuganker, die hydraulisch über die Steuerung angesteuert werden. Das heißt, je nach Ausfahrposition der Traghülse wird eine entsprechende hydraulische Gegenkraft erzeugt, um die Traghülse gerade zu halten. Selbstverständlich sind dazu in der Siemens 840-D-Steuerung die Gewichte der unterschiedlichen Fräsköpfe hinterlegt.

Fahrständer-Bohrwerk mit hoher Produktivität

Für die hohe Produktivität des Fahrständer-Bohrwerks Speedram3000 sorgt das intelligente Zusammenspiel vieler Konstruktionsdetails. Ziel ist es, eine möglichst hohe Leistung an der Schneide bei der geforderten hohen Präzision zu erhalten. Dazu ist nicht nur eine starke Spindelleistung erforderlich, es geht immer auch um die Reduzierung von Nebenzeiten, um die Werkzeugeingriffszeit
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Blick in die Werkzeugarena mit dem Roboter.

Blick in die Werkzeugarena mit dem Roboter.

zu maximieren. Die Speedram-Bohrwerksreihe bietet Spindelleistungen je nach Ausstattung von 37 bis 145kW bei Bohrspindeldurchmessern von 130 bis 260Millimeter. Die abgebildete Maschine ist mit einer 200Millimeter Bohrspindel ausgerüstet, die eine Maximalleistung von 100kW bietet. Damit kann sie durch entsprechend große Bohrungen hindurch fahren und im Inneren eines Werkstücks arbeiten.

Zu den Maßnahmen, die Werkzeugeingriffszeit zu optimieren, gehört auch das hauptzeitparallele Auf- und Abspannen von Werkstücken. Diese Möglichkeit ist bei SMS Siemag durch die Wechselbearbeitung zwischen Dreh- Verschiebetisch und dem 9000x4000Millimeter großen Plattenfeld gegeben. Fürs Aufspannen von großen Werkstücken braucht man mitunter drei bis fünf Stunden. Die gesamte Bearbeitungszeit dauert in der Regel 50 bis 100 Stunden.

Zur Reduzierung der Nebenzeiten trägt auch ein sicherer und schneller Werkzeugwechsel bei. Der Werkzeugwechsel sowie das Einwechseln von Zusatzaggregaten erfolgt bei den Speedram-Maschinen automatisch. Die Zusatzaggregate lagern geschützt in einer geschlossenen Pick-up-Station. Im ortsfesten Regalmagazin in Form einer Werkzeugarena, für das sich SMS Siemag entschieden hat, sind 240 Plätze für Werkzeuge vorhanden. In die Werkzeugarena lassen sich Werkzeuge einlagern, die maximal 800Millimeter breit und 1.000Millimeter lang sind sowie im Durchmesser nicht größer als 400Millimeter sind und nicht mehr als 100kg wiegen. Mit dem Doppelgreifer wechselt ein Roboter nicht nur die Werkzeuge in der Bohrspindel, sondern auch in die Zusatzaggregate.

Damit der Roboter stets das richtige Werkzeug an die Hauptspindel beziehungsweise an die Spindel eines Zusatzaggregates
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Roboter der Werkzeugarena wechselt ein Werkzeug am Universalfräskopf TU 25 C, der eine Indexiergenauigkeit von 0,001° bietet.

Roboter der Werkzeugarena wechselt ein Werkzeug am Universalfräskopf TU 25...

bringt, arbeitet die Werkzeugarena mit einem Werkzeugidentifikationssystem. Sämtliche Werkzeuge tragen einen integrierten Mikrochip, auf den in der Werkzeugvoreinstellung alle für die Werkstückbearbeitung erforderlichen Werkzeuginformationen gespeichert werden. Über Leseköpfe in den Werkzeugaufnahmen der Übergabeschleuse wird das jeweilige Werkzeug identifiziert. Die Schleuse besitzt acht Einlegepositionen und trennt die manuelle Werkzeugübergabe vom Arbeitsbereich des Roboters. Der lagert, den Befehlen der Steuerung folgend, das Werkzeug chaotisch ein. Damit werden manuelle Fehler weitestgehend vermieden. In der Werkzeugarena erfolgt mit Hilfe einer Laserlichtschranke eine Werkzeugbruchkontrolle. An der installierten Reinigungseinheit mit rotierenden Bürsten reinigt der Roboter den Werkzeugkegel automatisch.

Richtige Auswahl der Werkzeuge

Nicht zuletzt haben die richtige Auswahl der Werkzeuge sowie die innovative Gestaltung von Zusatzaggregaten einen erheblichen Einfluss auf die Produktivität der Maschine. PAMA legt großen Wert auf die eigene Konstruktion und Fertigung von unterschiedlichen Fräsköpfen. „Wir“, betont Willi Vogel, „betrachten die Zusatzköpfe als einen wesentlichen Bestandteil des Gesamtkonzepts einer Maschine. Deshalb bieten wir neben unseren Standard-Fräsköpfen auch Fräsköpfe, die individuell auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnitten sind. Für die SMS Siemag lieferten wir insgesamt sechs Zusatzaggregate. Die befinden sich in der Pick-up-Station, die acht Plätze bietet. Ein Platz wird freigehalten für die Schutzplatte, die vor der Aufnahme eines Zusatzaggregats abgelegt werden muss. In der Pick-up-Station befinden sich zwei Winkelfräsköpfe mit maximalen Spindelleistungen von 20 beziehungsweise 50 kW, ein Universalschrägachsenfräskopf
mit maximaler Spindelleistung von 25 kW, ein versetzter Vorsatzkopf mit maximaler Spindelleistung von 50 kW, ein Stützlager sowie ein Schnelllaufkopf mit einer Übersetzung von 4:1. „Diesen Schnelllaufkopf“, erwähnt Andreas Prümm, „setzen wir bei kleineren Werkzeugen ein, um für die Erhöhung der Produktivität die maximale Spindeldrehzahl von 1800U/min auf eine Werkzeugdrehzahl von bis zu 7200U/min zu erhöhen“.
Das Fahrständer-Bohrwerk Speedram 3000 steht auf einer Fläche von 300 m². Dazu kommen noch Flächen für periphere Einrichtungen wie Werkzeugschränke für Werkzeuge und Spannmittel sowie für die Werkzeugarena. (Bilder: PAMA)
Die X-Achse bietet einen Fahrweg von 18.000 Millimetern.
Blick auf die V-Achse des Dreh- und Verschiebetischs
Wirksame Werkzeug- und Werkstückkühlung.
Blick in die Werkzeugarena mit dem Roboter.
Roboter der Werkzeugarena wechselt ein Werkzeug am Universalfräskopf TU 25 C, der eine Indexiergenauigkeit von 0,001° bietet.
Der Axialverfahrweg der Traghülse in Z-Richtung beträgt 1.400 Millimeter.
Erfolgreiche Zusammenarbeit (v.l.): Andreas Prümm, Werks- und Investitionsplanung; Willi Vogel, PAMA-Vertriebsbevollmächtigter


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Bohr- und Fräswerke, Großteilebearbeitung

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