Werkzeugmaschinen

Chemnitz ist ein traditionelles Zentrum des deutschen Werkzeugmaschinenbaus. Bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts nahm Sachsen den Spitzenplatz in Deutschland mit mehreren Maschinenbauunternehmen ein. Darauf aufbauend wird die historische Entwicklung des deutschen Werkzeugmaschinenbaus bis hin zu seiner derzeitigen strukturellen Ausprägung und globalen Bedeutung dargelegt. Dies beinhaltet den Blick auf Chancen und Entwicklungsmöglichkeiten der Produktionstechnik in näherer Zukunft. Eine Definition der Werkzeugmaschine grenzt das behandelte Themengebiet ab. Das Kapitel schließt mit einer Auflistung von Anforderungen und Bewertungskriterien, die potentielle Anwender an ausgeführte Werkzeugmaschinen stellen.

Die Einteilung der Werkzeugmaschinen kann nach einer Vielzahl von Kriterien erfolgen. Die für ihre Anwendung und die Beschreibung des Aufbaus wichtigsten Kriterien werden beschrieben und in ihrer Bedeutung dargelegt. Beginnend mit der Klassifizierung von Einzelmaschinen bis hin zu Mehrmaschinensystemen wird die Komplexität und die mögliche unterschiedliche Sichtweise auf diese Thematik veranschaulicht. Ein zweiter Abschnitt widmet sich der systematischen Herangehensweise zum Finden von Aufbaustrukturen am Beispiel spanender Werkzeugmaschinen. Auf der Basis einer Methode zum Festgelegen der notwendigen Bewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug und der Anordnung diese Bewegungen zu einer Maschinenstruktur wird gezeigt, wie Aufbauprinzipien folgerichtig hergeleitet werden können.

Die Anforderungen an spanende Werkzeugmaschinen und deren Beurteilung sind eng miteinander verbunden. Ausgehend von der jeweiligen Kinematik des Zerspanungsvorganges werden verfahrensspezifische Besonderheiten für das Drehen, Fräsen, Bohren und Schleifen gezeigt und daraus maschinenrelevante Anforderungen abgeleitet. Ergänzend erfolgt die Berechnung der Zerspankraftkomponenten und Leistungen. Hinsichtlich des erstmaligen Inverkehrbringens einer Werkzeugmaschine im Europäischen Binnenmarkt lassen sich die aus Herstellersicht wesentlichen Anforderungen der aktuellen Maschinenrichtlinie sowie aller erforderlichen EU-Richtlinien zusammenfassen. Dazu werden die für die Maschinenabnahme wichtigsten Normen und Richtlinien genannt. Vertiefende Beispiele zur Laserinferometrie und zu Kreisformtests verdeutlichen dabei die Methoden zur Erfassung direkt messbarer Kenngrößen in Bezug auf die primär stattfindende Beurteilung der geometrischen und kinematischen Genauigkeit. Die Vorgehensweise bei Fähigkeitsuntersuchungen sowie die Möglichkeiten von standardisierten Prüfwerkstücken werden abschließend aufgeführt.

Spanende Werkzeugmaschinen sind konzipiert, um die Fertigungsverfahren der Hauptgruppe Trennen mit den Gruppen „Spanen mit geometrisch bestimmten Schneiden“ und „Spanen mit geometrisch unbestimmten Schneiden“ nach DIN 8589-0 zu realisieren. Grundsätzlich lassen sie sich aus Sicht ihrer Funktionsweise den Fertigungsverfahren zuordnen. Demzufolge werden die Anforderungen, die aus dem Prozess resultieren, für jede Maschinenklasse hergeleitet sowie ihre typischen Merkmale und Kenngrößen vorgestellt. Es folgt die Beschreibung der Werkzeug- und Werkstück-Schnittstellen. Einem Überblick zu ausgeführten Bauformen schließt sich jeweils die Beschreibung ausgewählter, repräsentativer Maschinentypen an. Dabei werden Aufbau, Funktionsweise und mitunter spezifische Baugruppen näher betrachtet. Dies geschieht mithilfe von bildhaften und funktionsbeschreibenden Darstellungen. Neuere Entwicklungstrends zielen auf eine vermehrte Verfahrensintegration innerhalb einer Werkzeugmaschine. Diese Maschinen werden dem Hauptbearbeitungsverfahren zugeordnet, für das sie überwiegend konzipiert wurden.

Die Leistungsfähigkeit sowohl der spanenden Bearbeitungsverfahren als auch der dazugehörigen, im vorigen Kapitel beschriebenen Werkzeugmaschinen ist bei komplizierten geometrischen Formen der Werkstücke begrenzt. Auch stellen die mechanischen Eigenschaften der zu bearbeitenden Werkstoffe eine Einsatzgrenze dar, insbesondere bei hoch vergüteten Stählen, Superlegierungen, Hartmetallen oder Hochleistungskeramiken mit den entsprechenden Anforderungen an Genauigkeit und Oberflächengüte. Für diese und weitere Anwendungsfälle bieten sich berührungslos arbeitende Fertigungsverfahren an, die in der DIN 8589-0 in der Fertigungsgruppe Abtragen zusammen gefasst sind. Dazu zählen das chemische, elektrochemische (ECM) und thermische (EDM, Laserbearbeitung) Abtragen. Das mechanische Abtragen (Wasserstrahlschneiden) wird aufgrund großer Ähnlichkeiten hinsichtlich des Abtragprinzips, der Verfahrenskinematik und des Anlagenaufbaus mit hinzu gezählt. Die aufgeführten Verfahren werden beschrieben und daraus die Anforderungen an den Aufbau der abtragenden Werkzeugmaschinen hergeleitet. Jeder Abschnitt endet mit der Beschreibung ausgeführter Anlagen.

Die Nutzung von mehreren Maschinen zur Herstellung eines Werkstücks beruht zum einen auf der Tatsache, dass die herzustellende Werkstückgeometrie verschiedene Fertigungsverfahren erfordert. Zum anderen kann die Werkzeugmaschine sehr kompliziert und aufwendig werden, wenn alle Prozessschritte durch einen kinematischen Grundaufbau realisiert werden. Man spricht daher von einem Mehrmaschinensystem, wenn der Werkstückfluss zwischen einzelnen Maschinen durch Verkettungseinrichtungen automatisiert erfolgt. Es wird damit das Ziel verfolgt, eine höhere Produktivität der Fertigung zu erreichen, als es mit einer entsprechenden Anzahl von Einzelmaschinen möglich ist. Die Darstellung dieser Systemgrundlagen führt zu einer Darstellung von technologie- und anordnungsorientierten Strukturierungsmöglichkeiten der Maschinenverkettung. Als wichtigste Baugruppen und Elemente der Maschinenverkettung werden in einem weiteren Abschnitt Transporteinrichtungen, Werkstückpaletten, palettenlose Handhabungseinrichtungen und Speichermöglichkeiten ausführlich beschrieben. Ausgewählte Mehrmaschinensysteme fassen die gegebenen Informationen der vorherigen Abschnitte beispielhaft zusammen.

Aus den auf einer Werkzeugmaschine zu realisierenden Fertigungsprozessen resultieren vielfältige durch die Maschine zu erfüllende Funktionen. Diese erfordern einen komplexen Aufbau, der durch das Zusammenwirken einzelner Baugruppen erfüllt wird. Für die funktionsbestimmenden Baugruppen von spanenden Werkzeugmaschinen werden typische Funktions- und Aufbauprinzipien erläutert und deren Auslegung dargestellt. Dabei bilden die fertigungstechnischen Anforderungen die Basis, so dass die Baugruppen von „innen nach außen“, d. h. von der Hauptspindel als Werkzeug–/Werkstückaufnahme über die Antriebe und Führungen bis zu den Bauteilen für die Gestelle betrachtet werden. Für die Gesamtfunktionalität der Maschine ist deren Steuerung verantwortlich, die abschließend in ihrem Funktionsumfang erläutert wird.