Wie Messdaten die spanende Bearbeitung optimieren

Wenn Einzelinformationen eines Bauteils vor, während und nach dem Bearbeitungsprozesses erfasst werden, so sorgt dies für eine gleichbleibend hohe Prozesssicherheit. Durch die detailliertere Steuerung des Prozesses werden Stillstände vermieden und der Ausschussanteil kann weiter gesenkt werden. Doch inwieweit lassen sich Messdaten sinnvoll erfassen und zur Prozessstabilität nutzen? Und wie kann durch innovative Technologien der Messraum noch näher an den Produktionstakt gebracht werden?

Für die Informationsgewinnung sind zunächst grundsätzliche Vorgehensweisen zu prüfen. Dazu gehören die Rationalisierung der Prozesse, Maschinen und Werkzeuge, die Reduzierung der Fertigung auf wenige Kernprozesse sowie die Standardisierung auf wenige, vollständig bestimmte Fertigungsverfahren.

Grundsätzlich ist es dabei wichtig, ungewünschte manuelle Einflüsse und umgebungsbedingte Schwankungen zu vermeiden. Aus langjähriger Erfahrung in der eigenen Fertigung folgt Renishaw den Stufen der Fertigungsprozesspyramide:

Voraussetzung für eine hohe Prozessstabilität ist eine stabile Prozessgrundlage. Darunter versteht man die Optimierung der Prozess-, Umgebungs- und Maschinenstabilität. Ansatzpunkt zur Schaffung einer stabilen Prozessgrundlage ist das Kennen und Verstehen der Maschinengenauigkeit innerhalb der vorhandenen Umgebungsbedingungen. Bereits hier beginnt die Erfassung von geometrischen Merkmalen – wie beispielsweise von Achsen – der Maschine zwischen den Wartungsintervallen. Dies kann mit Hilfe eines Laserinterferometers oder durch den Anwender selbst etwa mit einem Kreisformmessgerät realisiert werden.

Ist diese Grundlage geschaffen, soll die Prozesseinrichtung durch Erfassung und Korrektur kritischer Fehler nur so weit Schwankungen im Werkstück erlauben, wie von der In-Prozess-Regelung korrigiert werden kann. Es sind Strategien auf Basis der automatisierten Werkstück- und Werkzeugmessung. Damit werden unerwünschte manuelle Einflüsse beim Werkzeugwechsel oder bei der Erfassung der Werkstücklage eliminiert und die Fertigungsgenauigkeit erhöht. Hier wird geprüft, ob das Werkzeug die richtigen Dimensionen hat. Zudem wird die Ausrichtung des Werkstücks erfasst und in der Steuerung verarbeitet.

Je nach Losgröße korrigiert die In-Prozess-Regelung die Schwankungen, die während der Ausführung des Bearbeitungsprogramms auftreten können. Das sind zum Beispiel Werkzeugverschleiß oder Temperaturschwankungen. Gerade bei komplexeren oder sehr großen Bauteilen ist der Vorteil der In-Prozess-Messung signifikant, da eine Nachbearbeitung am Bauteil noch im aufgespannten Zustand ausgeführt werden können.

Andere einfachere Teile können außerhalb der Maschine fertigungsparallel geprüft werden (siehe Ergebnisüberwachung). Zur Prüfung wird das zu bearbeitende Werkstück innerhalb der Maschine gegen rückführbare, von der Fertigungseinrichtung unabhängige Artefakte vergleichen. Man verwendet dabei entweder generische Artefakte mit einer Zusammenstellung von Standard-Merkmalen wie Kugeln, Ringen oder Längennormalen. Mit diesen Artefakten können gesicherte Fertigungstoleranzen von 20 µm (Cpk >1.6) erreicht werden.

Um die Fertigungsgenauigkeit noch weiter zu steigern, werden zuvor auf der Koordinatenmessmaschine gemessene Werkstückreplikas (Meisterstücke) eingesetzt. Damit sind gesicherte Fertigungstoleranzen von 10 µm (Cpk >1.6) erreichbar. Der Vorteil einer Werkstückreplika liegt in der Temperaturkompensation, die quasi gleich mitgeliefert wird, da die geometrischen Merkmale des Prüfteils und des Vergleichsnormals in derselben Umgebungstemperatur erfasst werden.

Je nach Strategie erfolgt eine finale Ergebnisüberwachung, die je nach Anforderung in Stichproben erfolgen kann. Immer mehr Auftraggeber wollen sich jedoch ihrerseits absichern und verlangen eine hundertprozentige Überprüfung aller Teile. Dabei sind die Grenzen zwischen Post-Prozess-Regelung und Post-Prozess-Messung fließend, je nachdem in welchem Maße gewonnene Ergebnisse und Erkenntnisse in nachfolgende Prozesse einfließen. Renishaw bietet dazu zwei unterschiedliche Ansätze:

Zur Ergebnisüberwachung direkt in der Fertigung kommt das Prüfsystem Equator 300 zum Einsatz. Dieses System vereint die Vorteile der fertigungsnahen Prüfung wie bei teilebezogenen Lehren mit der Flexibilität und Dokumentationsfähigkeit eines Koordinatenmessgeräts.

Ein weiterer Ansatz ist die Nachrüstung bestehender taktiler Koordinatenmessma-schinen mit der 5-Achsentechnologie Revo. Dabei handelt es sich um einen stufenlos verstellbaren Dreh- und Schwenkkopf, der simultan mit den Achsen der Koordinatenmessmaschine angesteuert werden kann. Die sich daraus ergebenden neuen Messstrategien erhöhen den Messdurchsatz enorm. Für einen Zylinderblock benötigt eine Koordinatenmessmaschine mit dem Revo Dreh- und Schwenkkopf statt einer halben Stunde nur noch 7 min bei gleichbleibender Genauigkeit. ■