Den Alltag vereinfachen

Jun 05, 2023

Fortschrittliche Softwaretools und Datenanalysen tragen zur Rationalisierung von Schleifprozessen bei

Eñaut Arrizabalaga, leitender Inbetriebnahmeingenieur bei der Danobat Group, spricht wahrscheinlich im Namen aller Top-Maschinenbauer, wenn er sagt, dass die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) des Unternehmens so konzipiert ist, dass der Bediener keine speziellen CNC-Programmierkenntnisse benötigt. Fortschrittliche Software erleichtert auch andere Schleifherausforderungen und automatisiert sie manchmal sogar vollständig.

Danobat, das seinen US-Hauptsitz in Rolling Meadows, Illinois, hat, bietet eine breite Palette an Schleifmaschinen und Hartdrehmaschinen an, die alle die DoGrind+ HMI des Unternehmens verwenden. Zusätzlich zur Maschinenschnittstelle können Kunden die „Offline-Version nutzen, um Teileprogramme zu erstellen und diese einfach auf die Maschine zu exportieren“, erklärt Arrizabalaga.

Ein bemerkenswertes Modul macht das Schleifen von exzentrischen Außendurchmessern/Innendurchmessern (OD/ID) zum Kinderspiel. Dieses „Formularmodul“ umfasst vordefinierte Formen wie P3G und CAPTO, und Bediener können ein durch eine CSV-Datei definiertes Profil importieren, das laut Arrizabalaga entweder im polaren oder kartesischen Modus vorliegen kann. Letzteres definiert Punkte in X und Y; Im Polarmodus definiert jeder Punkt einen Winkel und einen Radius. Oder: „Sie können ein paar Parameter wie den Durchmesser oder den Radius usw. definieren, und die Form wird automatisch erstellt.“ Sobald die Form erstellt ist, kann die programmierte Form in der Software visualisiert werden“, sagte Arrizabalaga.

Beispielsweise erfordern viele Formenbauanwendungen die Generierung komplexer Profile, die durch Formeln, Polynome oder andere Strategien entwickelt werden, die die Maschinensoftware für den Benutzer vereinfachen muss. Danobat bietet eine interaktive grafische Umgebung zum Erstellen und Bearbeiten dieser Profile sowie „visuelle Garantien“, um sicherzustellen, dass die Flugbahnen, die die Maschine ausführen wird, die gewünschten sind. Die Danobat-Software umfasst außerdem „geometrische und Schleifprozessparameter, um die endgültigen Formfehler zu reduzieren“, fügte Arrizabalaga hinzu. „Sobald Sie das erste Teil erstellt haben, können Sie für jeden Schleifbereich unterschiedliche Beschleunigungsgeschwindigkeiten verwenden, um die endgültige Form und den Schleifprozess des exzentrischen Teils zu verbessern.“

Daher ist kein CNC-Programmierer erforderlich, um schwierige Formen zu erstellen. Als Beispiel nannte Arrizabalaga Triebwerksbaugruppen, die von einem großen amerikanischen Hersteller von Luft- und Raumfahrttriebwerken hergestellt wurden. „Mehrere Komponenten dieser Motoren haben unrunde, exzentrische Bereiche“, sagte er und wies darauf hin, dass eine der komplexesten eine gewellte Oberfläche am Kompressorstator ist, die DoGrind+ einfach macht.

Bei hydraulischen Anwendungen, so Arrizabalaga weiter, „stößt man oft auf Herausforderungen, die über sehr enge Maß- und Geometrietoleranzen hinausgehen. In unzähligen Anwendungen wird die Abstimmung verschiedener Teile zu einer Grundvoraussetzung für das ordnungsgemäße Funktionieren der endgültigen Lösung, und hier bietet die Anwendung von Match-Grinding-Strategien einen Mehrwert.“

Die Software von Danobat umfasst Rückverfolgbarkeitsfunktionen, die die beim Schleifen von „Typ-A“-Teilen erhaltenen Abmessungen verfolgen und dann nachfolgende Schleifvorgänge an „Typ-B“-Teilen mit optimalen Abmessungen für eine perfekte Übereinstimmung durchführen. „Die Software erleichtert die Prozesse erheblich, indem sie die vollständige Kontrolle über die Korrelation der Teile behält und bei Bedarf Ausgabe- und Qualitätsdaten an die Produktionssteuerungssysteme des Unternehmens übermittelt“, fügte er hinzu.

Das HMI von Danobat verfügt außerdem über ein Modul zum Erstellen und Bearbeiten eines Radabrichtprofils. „Es ähnelt einem Drehprofil, und wir verwenden diesen Profileditor in unseren Maschinen mit Drehfunktion“, erklärte Arrizabalaga. „Wir können dieselben Segmente des Modells verwenden, um den Pfad zu erstellen, auf dem das Drehwerkzeug das Teil schneidet oder der Abrichter das Rad abrichtet.“

Das ist eine natürliche Verbindung, denn oft möchte ein Hersteller ein gedrehtes Profil fertig schleifen. Ein solches Beispiel, zitiert Arrizabalaga, sind Vertikalschleifmaschinen mit Drehfunktion, bei denen der Benutzer die Scheiben abrichten möchte, um bestimmte Bereiche an Lagern zu schleifen.

Wie beim Formularmodul sind für den Profileditor keine besonderen Programmier- oder trigonometrischen Kenntnisse erforderlich. „Der Bediener kann das Profil einfach nach der Teilezeichnung bearbeiten und das Profil während der Bearbeitung sehen, um sicherzustellen, dass die Programmierung korrekt ist“, sagte Arrizabalaga.

In früheren Versionen mussten Bediener Start- und Endpunkte für jedes Segment sowie den Winkel definieren, was oft mathematische Berechnungen erforderte. Jetzt kann die Software automatisch alle Schnittpunkte und die zugehörigen Winkel berechnen. Der Bediener kann auch einfach ein durch eine DXF- oder ähnliche Datei definiertes Profil importieren.

Die Herstellung von Siliziumkarbid-Chips (SiC) kehrt in großem Umfang in die USA zurück, subventioniert durch staatliche Fördermittel in Milliardenhöhe. Und mehrere wichtige Akteure wenden sich an United Grinding North America Inc. mit Sitz in Miamisburg, Ohio, um clevere Lösungen für einige der schwierigen Probleme der Branche zu finden.

Doug Emerson, regionaler Vertriebsleiter für Zylinderschleifmaschinen bei United Grinding, erklärte, dass das Rohmaterial lange bevor Silizium in Scheiben geschnitten, geschnitten und in winzige integrierte Schaltkreise geätzt wird, in einem Quarztiegel gezüchtet wird. Herauskommt ein Barren mit einer Länge von etwa 2 bis 3 Fuß (0,6–0,9 m) und einem Durchmesser von 12 Zoll (305 mm) mit einer Kuppel an jedem Ende, die der Form eines Rugbyballs ähnelt.

Der Barren ist chemisch rein, aber stark anisotrop. Mit anderen Worten: Die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des Kristalls variieren je nach Ausrichtung erheblich. Und man kann die Ausrichtung der Kristallebene nicht im Voraus vorhersagen. Da beginnt der Spaß.

„In der Vergangenheit wurden die nutzlosen Kuppelenden mit einer Diamantsäge abgeschnitten“, bemerkte Phil Wiss, regionaler Vertriebsleiter für die Profilschleifabteilung von United Grinding. „Das ist ein etwa dreistündiger Prozess. Und eine gute Diamantsäge kostet etwa 2 Millionen Dollar.“

Der Barren wird dann in 4 Zoll (101,6 mm) dicke Segmente geschnitten. Im nächsten Schritt wird jedes Segment geröntgt und Berechnungen zur Bestimmung der Lage der Kristallebene durchgeführt. Anhand dieser Daten wird ermittelt, wie die einzelnen Teile unterlegt werden, sodass mit einem einfachen Flachschleifer das Ende abgeflacht werden kann, sodass es mit der Kristallebene übereinstimmt. Das sei ein weiterer zeitaufwändiger und riskanter Prozess, stellte Wiss fest. „Ein Bediener müsste die Daten der Röntgenaufnahme aufschreiben und diese dann per Hand in die Steuerung eingeben. Ein Dezimalpunkt ist hier alles … es gibt viele Möglichkeiten für Fehler.“

Wiss behauptet, dass United Grinding für fast alle diese Herausforderungen bessere Lösungen bietet. Nehmen wir zum Beispiel den Prozess des Abschneidens der 2" (50,8 mm) Kuppel am Ende jedes Barrens. Laut Wiss würde eine der Kriechvorschubschleifmaschinen des Unternehmens diese zwei- bis dreistündige Arbeit in 15 Minuten bewältigen.

Und anstatt zu versuchen, die korrekte Teileausrichtung mithilfe von Unterlegscheiben auf der Grundlage von Offline-Röntgendaten zu erreichen, hat United Grinding Röntgenstrahlen in seine fünfachsigen Blohm Profimat MC- und Mägerle MFP 30-Maschinen integriert. Bei beiden Modellen bestimmen das Röntgengerät und die zugehörige Software automatisch die Ausrichtung der Kristallebene. Anschließend nutzt die Maschine eine mehrachsige Interpolation des Arbeitstisches, sodass dieser parallel zur Ebene schleift. „Wir nehmen den Bedienern alle mühsamen Berechnungen und Dateneingaben ab“, sagte Wiss.

Die Anwendung erfordere Diamantscheiben, sagte Wiss und fügte hinzu, dass United Grinding für die Verwendung aller Materialien offen sei, von kunstharzgebundenen bis hin zu verglasten oder beschichteten Schleifscheiben.

„Wir haben sogar segmentierte Schleifmittel verwendet. Bei den meisten unserer Schleifarbeiten verwenden wir die Peripherie, aber wir haben einen Kunden, der seinerseits ein Wirbelmuster bevorzugt, also schleifen wir mit der Seite der Schleifscheibe. Wir verfügen über alle Möglichkeiten und entwickeln den Prozess entsprechend den Kundenpräferenzen.“ Beispielsweise verfügt die Mägerle MFP 30 über einen Schleifscheibenwechsler, um bei Bedarf mehrere Schleifmittel auf dasselbe Teil auftragen zu können.

Sobald das Segment an beiden Enden flach ist, wird es normalerweise in eine zylindrische Schleifmaschine gegeben. Die Marke Studer von United Grinding bietet hier eine anspruchsvolle Lösung.

„Wir integrieren eine Röntgenaufnahme in eine der Werkzeugpositionen im Schleifkopf, der sich um die B-Achse dreht“, erklärt Emerson. „Der Scheibenkopf schwenkt herum, um die Röntgenaufnahme relativ zum Teil zu positionieren, und dann richtet der C-Achsen-Arbeitskopf der Maschine das Teil dort aus, wo die Kristallstruktur am besten geeignet ist, um die gewünschte Chipleistung zu liefern.“

Diese Teile erfordern oft eine Abflachung am Außendurchmesser, die Studer mithilfe einer Außenrundschleifscheibe und seiner Unrund-Schleifsoftware erstellen würde, fügte Emerson hinzu. Zum Schleifen einer Kerbe, was ebenfalls häufig erforderlich ist, verwendete Studer eine horizontale Scheibe, die an einer dritten Position im Scheibenkopf montiert war.

Der Übergang zu Elektrofahrzeugen (EVs) erhöht aufgrund veränderter Lärmprobleme auch die Nachfrage nach Schleifmaschinen. „Wenn Sie ein Elektrofahrzeug fahren, hören Sie plötzlich Geräusche aus dem Getriebe und anderswo, die Sie noch nie zuvor gehört haben, weil Ihr Benzinmotor sie übertönt hätte“, erklärte Emerson. „Unser kanadischer Händler sagte, ein Geräusch von der Rückseite seines Tesla mache ihn verrückt, weil er die Quelle nicht herausfinden könne. Es stellte sich heraus, dass es sich um zwei aneinander reibende Münzen handelte, die seine Kinder in einem Getränkehalter zurückgelassen hatten.“

Um solche Probleme anzugehen, verschärfen Autohersteller die Toleranzen. Und früher gedrehte Getriebeflächen müssen heute geschliffen werden.

Ein Beispiel: Ein Eingangszahnrad mit einer Stirnfläche sowie zwei Innen- und Außendurchmessern, die der H6-Toleranz entsprechen müssen, alle mit einer Oberflächengüte von 0,8 µm. Eine solche Anwendung würde so etwas wie einen Studer S33 mit mehreren Schleifköpfen erfordern, erklärte Emerson. Aber für einfachere reine OD-Projekte im EV-Bereich hat Studer den S36 eingeführt. Durch die Begrenzung der Konfigurationen und der damit verbundenen Technik ist der S36 so konzipiert, dass er Automobilzulieferer zufriedenstellt, die sich auf die Kosten pro Stück konzentrieren.

Einer der neuesten Beiträge von ANCA Ltd. zum Schleifen mit engen Toleranzen ist eine patentierte Technik namens Motor Temperature Control (MTC). Beim Schleifen entsteht Wärme, und Hitze verursacht Spindelwachstum. Ebenso würden Temperaturänderungen aufgrund von Stillstandszeiten oder dem Wechsel von einem Vorgang zum anderen zu ausreichenden Schwankungen in der Spindelgröße führen, um sich auf die Teilegröße auszuwirken. MTC regelt die Temperatur durch Variation des Motorstroms und behält gleichzeitig das für Schleifvorgänge erforderliche Drehmoment und die erforderliche Drehzahl bei.

MTC vermeidet die Kosten und die Komplexität eines separaten Flüssigkeitskühlsystems, hält die Spindeltemperatur jedoch auf 0,5 °C, wodurch Spindelwachstum praktisch ausgeschlossen wird und Schleifgenauigkeiten von wenigen Mikrometern erreicht werden, so das Unternehmen.

Das System erreicht außerdem innerhalb von fünf Minuten einen stabilen Zustand, sodass kein langer Aufwärmzyklus zu Beginn einer Schicht erforderlich ist. MTC ist in die Firmware des Motorspindelantriebs integriert und erfordert nur wenige zuverlässige Hardwareteile, wie z. B. eine elektronische Drossel, sodass es im Wesentlichen wartungsfrei ist. ANCA hat die MTC-Technologie in drei Modelle integriert, die höchste Präzision erfordern, darunter die CPX-Peel-Peel-Schleifmaschine, die GCX-Schälschleifmaschine und die MX7 Ultra-Werkzeugschleifmaschine.

Der Anwendungsingenieur David Goolsby berichtete, dass er im ANCA CPX Chargen von 75 oder mehr Werkzeugen mit einer Durchmesserschwankung von weniger als zwei Mikrometern laufen ließ. Die Maschine liefere mit einer D91-Schleifscheibe auch eine bessere Oberflächengüte als manche Maschinen mit einer feineren D64-Schleifscheibe, sagte er und führte die Verbesserung auf die inhärente Vibrationsdämpfung des Pinch-Peel-Prozesses und die einzigartige Lünette der Maschine zurück.

„Es ist ein einfaches Design, ohne viele bewegliche Teile, die Probleme verursachen können“, sagte Goolsby. „Und es ist extrem stabil und direkt im Fundament des Polymerbetonsockels der Maschine verschraubt, anstatt frei schwebend und auf einem beweglichen Gerät zu sein, wie es bei Konkurrenzmaschinen der Fall ist. Es besteht kaum die Möglichkeit, dass Vibrationen in den Prozess eindringen.“

Was den GCX betrifft, so erhöht der Trend zu Elektrofahrzeugen den Bedarf an Schälfräsern mit Toleranzen unter 0,0001 Zoll (0,0025 mm). „Ich habe sogar Abdrücke mit plus oder minus einem Mikrometer gesehen“, sagte Goolsby.

Niedrigere Zinssätze führen in der Regel zu mehr Wohnungsbau und damit zu einem höheren Verbrauch von Holzschneidewerkzeugen. „United Grinding konzentriert sich stärker auf diesen Bereich mit Softwareverbesserungen, die die Produktion von Hartmetallklingen und Werkzeugen aus gelötetem polykristallinem Diamant (PKD) erleichtern“, sagte Simon Manns, Vizepräsident für Werkzeugschleifen (Marken Walter und EWAG).

In Bezug auf die Klingen, die für Kronenleisten und Ähnliches verwendet werden, sagte Manns, dass für deren effizientes Schleifen „das automatische Laden in einen Halter gerade nach oben und unten und eine Ausrichtung auf die Mitte des Arbeitskopfs erforderlich ist“. Aber wenn sie in einen Fräserkörper eingesetzt werden, der ihnen einen Spanwinkel verleiht, muss man dies berücksichtigen und ein Profil schleifen, das sich von dem Profil unterscheidet, das man tatsächlich in die Form schneidet.“ Zum Schneiden eines viertelrunden Profils ist beispielsweise möglicherweise eine Klinge mit ovaler Kante erforderlich.

„Unsere Software hilft wirklich“, versicherte Manns. „Sie importieren das gewünschte DXF-Teileprofil oder programmieren das Profil. Geben Sie dann die Rechen- und Abstandswerte für den vorgesehenen Fräskörper ein. Die Software nimmt automatisch die notwendigen Anpassungen vor“, sagte er und wies darauf hin, dass ein Bediener den Roboter problemlos so programmieren kann, dass er jeden Rohlingssatz in der gleichen konsistenten Mittellinienposition lädt und sogar verschiedene Chargen in einem Setup mischt.

Die Tool Studio-Software von Walter wurde erweitert, um fast alle PKD-Werkzeugtypen abzudecken, sagte Manns, was die Programmierung von Maschinen, die sowohl erodieren als auch schleifen, wie zum Beispiel die Helitronic Power Diamond, erheblich erleichtert. „So ziemlich jeder Schleifvorgang in Tool Studio kann jetzt auf Erodieren umgestellt werden.“

Dies sei besonders hilfreich für massive Rundwerkzeuge wie Kompressionsfräser mit gelöteten PKD-Einsätzen, erklärte Manns. „Sie können das gesamte Werkzeug simulieren und das PKD in einer anderen Farbe als den Rest des Materials (typischerweise Hartmetall) darstellen. So können Sie sicherstellen, dass Ihr Programm nicht in die PKD einschleift, und gleichzeitig sicherstellen, dass Sie durch die PKD in das Hartmetall hinein erodieren, um einen reibungslosen Übergang zu schaffen.“

Die Software enthält auch empfohlene Erosionsparameter für verschiedene Materialien und gewünschte Oberflächengüten, sodass ein typischer Werkzeugschleifer ohne spezielle Fachkenntnisse auf PKD-Werkzeuge umsteigen kann.

Bisher haben wir Lösungen behandelt, die Außen- und Innenschleifen, Schleifen und Drehen und sogar Schleifen und Erodieren kombinieren. In keinem dieser Beispiele fanden die verschiedenen Vorgänge gleichzeitig statt, aber das ist laut Arrizabalaga eine weitere Funktion, die Danobat als Reaktion auf die Kundennachfrage eingeführt hat. Das Unternehmen bietet Maschinen mit Schleifköpfen auf unabhängigen Schlitten an, die CNC unterstützt das gleichzeitige Schleifen auf zwei Kanälen und DoGrind+ bietet dem Bediener eine intuitive Möglichkeit, eine solche Sequenz zu programmieren, sagte er.

Diese Praxis ist natürlich bei Drehmaschinen üblich, bei denen normalerweise die Gegenspindel verwendet wird, um das Ende des Teils zu bearbeiten, das gerade in der Hauptspindel eingespannt war (während sich die Hauptspindel zum nächsten Teil bewegt). Das Gleiche können Sie beim Schleifen tun, obwohl Arrizabalaga sagte, dass es üblicher sei, eine Spindel zum Schleifen des Innendurchmessers eines Teils zu verwenden, während eine andere Spindel zum Schleifen des Außendurchmessers verwendet wird.

Eine weitere häufige Anwendung, bei der beide Spindeln gleichzeitig am selben Werkstück verwendet werden können, ist das Schleifen „großer Lager, bei denen man viel Platz für die Annäherung der beiden Spindeln hat.“ Ein solches gleichzeitiges Schleifen kann viel Zeit sparen“, sagte Arrizabalaga.

Laut Arrizabalaga lässt sich mit der Software ganz einfach programmieren, welche Vorgänge gleichzeitig ausgeführt werden können und welche nicht, und dabei Interferenzprobleme, Abrichtzyklen usw. berücksichtigen. Darüber hinaus ermöglicht die HMI die Integration von Eingaben von Drittsystemen wie Radauswuchtmaschinen oder Akustiksensoren auf dem Hauptbildschirm, sodass der Bediener alles in einem Fenster hat.

Möglicherweise hat Software die Welt noch nicht vollständig erobert. Aber es trägt sicherlich dazu bei, das Mahlen einfacher zu machen.

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