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DURCHGÄNGIG DIGITAL

DMG Mori prä- sentiert sich als Wegbegleiter in die Fabrik der Zukunft

EINE NEUE ÄRA BEGINNT

Dr. Dieter Kress geht und sieht Ma- pal „jetzt in besten Händen“

NCF-CHECK

Wieviel Intelligenz braucht die Spann- technik? Hainbuch, Lang und Schunk erklären ihr Konzept

Schleif- technik

GROSSER SONDERTEIL

Der Turbo für

Gewindeformer

von WOLFGANG BAHLE

Bei Hengst im westfälischen Nordwalde läuft der Spindelmotor bei der Gewindeherstellung mit niedriger und damit regelungsfreundlicher Drehzahl. Denn für hohe Umdrehungen beim Gewindeformen sorgt das zwischengeschaltete Übersetzungsgetriebe Speedsynchro Modular von Emuge. Die Umstellung ergab einen Zeitvorteil von über 20%.

Das eingewechselte Speedsynchro vor der Bearbeitung: Die Spindel dreht nur mit 541 min^-1, der Gewindeformer kommt auf hohe 2.387 min^-1, was einen Vorschub von 60 m/min ermöglicht.

G

möglichst kurze Taktzeiten. Deshalb gehen die Anstrengungen nicht nur in die Rich- tung, Nebenzeiten zu minimieren, sondern auch dahin, die hauptzeitrelevanten Prozesse so zu optimieren, dass dieses Ziel erreicht wird. Ist es beispielsweise beim Fräsen fast immer möglich, durch Anpassungen bei Werkzeugen, Schnittdaten und Bearbeitungsstrategien signifikante Zeit- vorteile zu erschließen, erweist sich dieses Vorhaben bei der Gewindeherstellung schon als deutlich schwieriger.

Vor dieser Herausforderung stand man auch im Werk Nord- walde der Hengst SE, die sich auf Filtrations- und Fluid- managementlösungen spezialisiert hat, die vorwiegend als Anbauteile und -module bei Verbrennungsmotoren Verwendung finden. „Wir stellen hier am Standort unter anderem Aluminiumdruckgussteile her, die wir dann me- chanisch bearbeiten und einbaufertig an unsere Kunden ausliefern”, erklärt Hans-Joachim Daum. Als Projektinge- nieur Industrial Engineering ist er in Nordwalde für die Entwicklung der Fertigungsprozesse verantwortlich. Das betrifft zum einen natürlich die Neuprodukte, weshalb er eng mit den Kollegen von der Konstruktion zusammenar- beitet, die am Stammsitz von Hengst im nicht weit entfern- ten Münster ihr Büro haben. Zum anderen geht es aber auch um bestehende Fertigungsprozesse, die von Daum immer wieder auf ihre Effizienz hin überprüft werden.

Mit dem Ergebnis sehr zufrieden (v.li.): Projektingenieur Hans- Joachim Daum, Betriebstechnikleiter Alexander Seider und Volker Aschmann von Emuge-Franken.

Bilder: Emuge-Franken, Wolfgang Bahle

So zum Beispiel bei der Herstellung der Gewinde für ein komplex geformtes Ölfiltermodul, das in einer Motorense- rie eines großen Nutzfahrzeugherstellers Verwendung fin- det. Das Druckgussteil aus Aluminium (AlSi9Cu3) verfügt über insgesamt 41 Gewinde M8, die jeweils auf einem der insgesamt drei mit horizontaler Motorspindel und vier Achsen ausgerüsteten DMC 60-Bearbeitungszentren von DMG geformt werden. Die vierte Achse ist hier der integ- rierte Drehtisch. Für kurze Nebenzeiten sorgt ein 2-fach- Palettenwechsler, der sich an der Vorderseite befindet jeder Maschine befindet.

„Wir arbeiten in zwei Aufspannlagen, in der ersten Positi- onierung bearbeiten wir sieben Gewinde, in der zweiten die weiteren 34 Gewinde”, erklärt Daum den Ablauf auf der Maschine. „Für den Wechsel der Spannlage wird das Werk- stück aus der Aufspannung herausgenommen und mit der vierten Achse gedreht.“ Grundsätzlich arbeite man in der Serie mit Gewindeformern, ergänzt Alexander Seider, der bei Hengst in Nordwalde für die Betriebstechnik zuständig ist. „Wir haben auf das Gewindeformen schon vor vielen Jahren umgestellt, da sich gegenüber dem Gewindeschnei- den oder -fräsen damit präzisere Gewinde mit glatteren Oberflächen herstellen lassen.“ Das macht eine Nachbear- beitung der Gewinde überflüssig und sorgt in der Serie für einen stabilen Prozess. Hierzu tragen traditionell in Nord- walde auch die zusätzlichen Softsynchro-Spannfutter mit Minimallängenausgleich bei, die den Zug-Druckausgleich beim Umkehrspiel der Maschinenspindel übernehmen.

„Mit diesen Futtern reduzieren sich die Kräfte, die auf das Werkzeug wirken, erheblich”, sagt Seider. „Probleme mit der Synchronisation sind seither bei uns kein Thema mehr.“

Spindel kam nicht auf die programmierte Drehzahl Darum sei man mit dem Erreichten weitgehend zufrieden gewesen, erinnert sich Daum, aber eben nicht ganz. „Der Prozess lief stabil, die Qualität der Gewinde stimmte, aber deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten, die mit den Gewindeformern ja prinzipiell möglich gewesen wären, blieben ein Wunsch.“ Das Problem war die mit 1.750 min^-1 recht niedrige Spindeldrehzahl. Sogar wenn man Abstriche bei der Gewindequalität in Kauf genommen hätte, die Spin- del kam einfach nicht auf deutlich höhere Drehzahlen. „Wir haben es ausprobiert, selbst wenn wir 2.400 Umdrehungen an der Steuerung eingegeben haben, war beim Formen der M8-Gewinde keine nennenswerte Einsparung zu erzielen.“

den Grenzbereich geraten, wobei die Dynamik der Mo- torspindel dabei ebenso eine wichtige Einflussgröße sei, wie die verwendete Technik der Drehzahlüberwachung.

Erschwerend käme hinzu, so Aschmann, dass die Spindel bei der Gewindeherstellung positionsgenau unten anhal- ten muss. Dank des Übersetzungsgetriebes vervielfacht sich hingegen an der Futterseite die Drehzahl und sorgt so für hohe Schnittgeschwindigkeiten, etwa bei dem M8- Gewinde, das mit einer Gewindewerkzeugdrehzahl von 2.387 min^-1 hergestellt werden soll. Das NC-Programm wird dafür minimal modifiziert. „Es genügt, im Synchronzyklus der Steuerung die Drehzahl um den Getriebeübersetzungs- faktor 4,412 von vorher 1.750 auf 541 min^-1 Umdrehungen zu reduzieren und den Vorschub pro Spindelumdrehung um den Faktor 4,412 zu erhöhen.“ Damit die Steuerung den Vorschub auch beim eingewechselten Speedsynchro korrekt berechnet, muss die Gewindesteigung mit dem Übersetzungsverhältnis multipliziert werden. Bei M8 wä- ren das 1,25 mm multipliziert mit 4,412, was 5,515 ergibt.

Dieser Wert wird in die CNC eingegeben.

Da die Spindeldrehzahl beim Speedsynchro 2.000 min^-1 nicht überschreiten darf, ergibt sich eine maximale Werk- zeugdrehzahl von 8.824 min^-1. „Eine höhere Werkzeugdreh- zahl würde nichts bringen, da der Vorschub der Maschine dann einfach nicht mehr mitkommt”, weiß Aschmann. In diesem Drehzahlspektrum orientiere sich der optimale Wert am verwendeten Werkzeug, am Werkstoff sowie an der Art des Schmierstoffs. Und da das Speedsynchro mit seiner ER16-Spannzange Gewindewerkzeuge von M1 bis M8 aufnimmt und zudem über eine innere Kühlmittelzu- fuhr bis 50 bar verfügt (es gibt auch eine MMS-Ausführung), schien das Gerät also die genau richtige Lösung zu sein.

Die theoretischen Werte klangen vielversprechend Um eine Berechnungsgrundlage zu erhalten, wurden da- raufhin als erstes die kürzeren Bearbeitungszeiten, die sich mit dem Speedsynchro ergeben, anhand eines Bei- spielprogramms ermittelt. „Wir haben quasi einen Dummy verwendet und die Maschine so programmiert, dass man den Effekt des Speedsynchro erkennen kann, ohne dass es eingewechselt ist”, so Daum. „Man kann dabei einfach das NC-Programm nehmen, das für das Werkstück bereits existiert, und ändert nur Vorschub und Drehzahl, um die neue Zeit herauszubekommen.“ Auf diesen Daten basierte dann die Amortisationsrechnung, wofür der Projektinge- nieur den Wirtschaftlichkeitsrechner von Emuge benutz- te. „So habe ich dann ermittelt, wie hoch der Zeitvorteil pro Gewinde ist und ab welcher Gewindezahl sich dessen Investitionskosten amortisieren.“ Mit dem ROI-Rechner, den Emuge-Franken im Web unter www.speedsynchro.

com/roi-rechner kostenlos zur Verfügung stellt, wird sofort sichtbar, bei welchen Parametern sich welcher Spareffekt ergibt, ohne die Maschine für Versuche zu blockieren. Und das theoretische Ergebnis hatte den Ingenieur überzeugt.

„Nach dieser Berechnung wären mit dem Speedsynchro nur noch 114,4 Sekunden für alle 41 M8-Gewinde benötigt worden. Das hätte für uns einen Zeitvorteil gegenüber vor- her von gut 17 Prozent bedeutet.“ Daum war dabei von einer gegenüber vorher längeren Werkzeugwechselzeit ausge- gangen, da das Speedsynchro schwerer ist als das bisher

Sicher ist sicher: Hengst hält eins der insgesamt vier Speedsyn- chros mit Werkzeugverlängerung und Gewindeformer M8 als Reserve vor.

Da man trotz diverser Versuche nicht weiterkam, sprach Daum den Außendienstmitarbeiter von Emuge-Franken, Volker Aschmann, bei einem seiner Besuche in Nordwalde auf die Sache an. Von dem fränkischen Hersteller bezieht Hengst schon seit rund 30 Jahren einen Teil seiner Werk- zeuge, weshalb sich die beiden schon längere Zeit kannten.

Für Aschmann war das Problem nicht ganz neu. Denn auch andere Kunden, die er betreut, hatten ebenfalls Schwie- rigkeiten mit der Spindeldrehzahl bei der Gewindeher- stellung. Der Außendienstler musste darum nicht lange nachdenken. Wie bei den anderen Kunden empfahl er als Lösung, das verwendete Softsynchro-Spannfutter mit Mi- nimallängenausgleich durch ein unscheinbar aussehen- des, aber von der Wirkung her einzigartiges Gerät namens Speedsynchro Modular zu ersetzen. Dabei handelt es sich um ein von Emuge entwickeltes Übersetzungsgetriebe mit Spannzangenfutter, das einfach gegen das herkömmliche Gewindewerkzeugfutter getauscht wird.

Das Übersetzungsverhältnis des Planetengetriebes beträgt 1:4,412, im Gehäuse ist zudem eine Minimallängenaus- gleichsfunktion gleich mit eingebaut. Volker Aschmann:

„Die Spindel läuft so in einem Drehzahlspektrum unter- halb von 2000 Umdrehungen.“ Also in einem Bereich, wo die Maschine Drehzahl und Vorschub sicher synchroni- siert. „Denn die synchrone Regelung von Vorschub und Drehzahl, die ja ausschließlich für die Gewindeherstel- lung benötigt wird, ist ja ein Teil des Problems.“ Denn dabei würden viele Maschinen beim Regelverhalten in

TITELTHEMA

verwendete Ausgleichsfutter. Durch die höhere Wechsel- zeit schrumpfte der Zeitvorteil bei den sieben Gewinden der ersten Aufspannung in der Theorie allerdings nur noch auf eine Sekunde, wodurch die Einsparung weitgehend zunichte gemacht wurde. Die zweite Aufspannung mit den weiteren 34 Gewinden brachte es aber. Denn hier ergab sich trotz der angenommenen längeren Wechselzeit von 3,7 Sekunden eine Zeitersparnis pro Takt von 22,8 Sekunden.

So gab es dann schnell grünes Licht, das Speedsynchro in der Serie einzusetzen. Das war Anfang 2016.

Investition nach gut einem Jahr amortisiert

Im Mai und Juni 2017 wurden dann nacheinander die Werk- zeugmagazine der drei DMC 60-Bearbeitungszentren mit jeweils einem Speedsynchro bestückt. Kleinere Probleme, zum Beispiel musste am Magazin etwas angepasst werden, wurden zusammen mit einem Mitarbeiter von Emuge ge- löst. Bestellt und geliefert wurden insgesamt vier, um ein Gerät bei Wartungs- oder Reparaturarbeiten als Reserve einsetzen zu können. Die theoretisch berechneten Werte waren mit denen in der Praxis weitgehend deckungsgleich, allerdings nur bei der reinen Werkzeugeingriffszeit. Denn bei den Wechselzeiten erwiesen sich die angenommenen 3,7 Sekunden als zu pessimistisch. „Diesen Wert konn- ten wir knapp halbieren, weshalb wir für alle 41 Gewinde nur noch 107 Sekunden benötigen”, so der Projektinge- nieur. „So haben wir gegenüber früher einen Zeitvorteil von über 22 Prozent erreicht.“ Auf einen weiteren Aspekt weist Alexander Seider hin, nämlich die mit der Einführung des Speedsynchro gleichzeitig erfolgte Umstellung von HSS- auf VHM-Gewindeformer. „Wir konnten die Schnitt- geschwindigkeit durch die nun werkzeugseitig erreichte Drehzahl von 2.387 min^-1 von zuvor 40 auf jetzt 60 m/min steigern. Das ist ein Wert, der mit einem VHM-Gewinde- former problemlos zu fahren ist.“ Prozesssicherheit beim Formen war oberste Prämisse, der Speedsynchro lässt aber deutlich höhere Schnittgeschwindigkeiten zu.

Seit der Umstellung Mitte 2016 wurden etwa 55.000 Ölfilter- module in der neuen Konfiguration bearbeitet, absolut pro- zesssicher und mit gleichbleibend hoher Gewindequalität, wie Daum betont. Bei 41 Gewinden pro Teil summiert sich das im Jahr auf 480 Stunden. So spare man 20 Tage Maschi- nenzeit, rechnet er vor. Die Investitionskosten ließen sich sehr schnell über die kürzere Bearbeitungszeit amortisieren.

Und: „Wenn die Rahmenbedingungen für den Speedsynchro- Einsatz erfüllt sind, gehe ich in der Produktion keinerlei Risiko ein”, meint der Projektingenieur und lobt die unverändert hohe Präzision der Geräte, die jährlich nur einmal gewartet werden. „Sollte der Speedsynchro trotzdem mal ausfallen, was bisher nicht geschehen ist, kann ich jederzeit ja auch nor- mal produzieren.“ Als Hauptvorteil sieht Daum den enormen Zeitvorteil an, den das Speedsynchro biete. „Das Werkzeug ist viel schneller auf Null und bedeutend schneller wieder auf Vmax, weil ja nur bis 541/min antriebsseitig beschleunigt wird.“ Und die 60 m/min, mit dem die Gewinde heute geformt werden, sei für ihn nach wie vor ein beeindruckender Wert.

„Wir fahren eine geringere Spindeldrehzahl und erreichen trotzdem eine Wahnsinnsschnittgeschwindigkeit.“ W www.emuge-franken.de