Das Sechs-Achs-Fräsen komplexer Bauteile erfordert große Werkzeugmaschinen. Deren Genauigkeit lässt sich sicherstellen, in dem volumetrische Abweichungen mit einem selbstnachführenden Laserinterferometer erfasst und direkt in der Werkzeugmaschinen-Steuerung kompensiert werden.

Die beim Lohnfertiger Präwest beauftragten Werkstücke weisen oft komplexe Geometrien auf oder sind außergewöhnlich groß, schwer und stehen unter Spannung. Vielfach fordern die Kunden zudem aufwändige Zusatzbearbeitungen, zum Beispiel eine Chromatierung oder Wärmebehandlung ab Losgröße eins. Auch der Einsatz von schwer zerspanbaren Materialien gehört zum Alltag, wie die Superlegierung Inconel Alloy 718, die einen Nickelanteil von circa 50 Prozent aufweist.

Selbst konstruierte Sechs-Achs-Maschinen

Da man am Markt keine perfekte Werkzeugmaschine für die Bearbeitung derart komplexer Bauteile fand, entwickelte das Unternehmen seine eigenen Sechs-Achs-Fräsmaschinen mit Parallelachse. Die Spezial-Maschinen wurden hinsichtlich Steifigkeit, Geschwindigkeit, Bauraum und Bedienerfreundlichkeit optimiert, meistern ein Produktspektrum von 500 bis 2500 mm Durchmesser und ermöglichen eine dynamische Bearbeitung bei bis zu 15 Tonnen Beladung.

Effiziente Bahnplanung

„Zur Bahnsteuerung nutzen wir die iTNC 530 von Heidenhain“, berichtet Gaylord Klammt, Geschäftsbereichsleiter Industrie bei Präwest. Die Steuerung zeichnet sich aus Sicht von Präwest durch ihre praxisnahe Konfiguration aus, mit optimierter Bewegungsführung und Rückbegrenzung, dem Verrunden von aneinandergereihten Geradenelementen und der Vorausberechnung der Kontur.

Fräsen führte zu Versatz

So, wie die Sechs-Achs-Fräsmaschinen von Präwest konstruiert waren, reichte ihre geometrische Genauigkeit zunächst nicht für alle Anforderungen aus: Aufgrund der großen Verfahrwege in den sechs Bewegungsachsen und der großen Werkzeuglängen addierten sich die systematischen Geometriefehler in den Linear- und Rotationsachsen zu einem für einige Fertigungsaufgaben inakzeptablen Gesamtfehler.
„Bei großen Werkstücken fräst man in unterschiedlichen Sektoren und trifft sich am Ende in der Mitte. Viele Bauteile werden mit Umschlag und Umspannen hergestellt, was ebenfalls zu Ungenauigkeiten führen kann. Wenn Versatz auftritt, muss nachgearbeitet oder nachprogrammiert werden – und das kostet Zeit und Geld“, verdeutlicht Gaylord Klammt die Problematik. Ein Einfahren der Maschinen ist für das Unternehmen aufgrund geringer Losgrößen und teurer Materialien keine Option. „Die Frage lautete also, so Klammt weiter, „wie gelingt mir bei sechs Bewegungsachsen ein maßhaltiges Bauteil, wenn es über zwei Meter groß ist und die Genauigkeitstoleranz bei ± 0,05 mm liegt?“

Korrekturdaten ermitteln und an Steuerungssoftware übergeben

Die Antwort fand Klammt beim Messsystemhersteller Etalon, der sich mit dem selbstnachführenden Laserinterferometer LaserTracer-NG unter anderem auf die Genauigkeitssteigerung von Werkzeugmaschinen mittels volumetrischer Kompensation spezialisiert hat. Mit dieser Technologie lassen sich präzise Korrekturdaten für die räumlichen Fehler der Werkzeugspitze in allen Freiheitsgraden ermitteln. Das System analysiert mit Mikrometer-Genauigkeit im gesamten Arbeitsraum Positionsabweichungen, Geradheitsabweichungen, rotatorische Abweichungen (Rollen, Nicken, Gieren) und die Rechtwinkligkeit der Achsen zueinander. Auch die Winkelpositionierabweichungen, die Axial- und Radialbewegung und das Taumeln der Rotationsachsen werden vollständig erfasst.
Nach der Messdatenerfassung wird das Korrekturfeld für die Steuerung durch Etalons Software berechnet, und die Kompensationsdaten werden automatisch per Schnittstelle in die Steuerung der Maschine eingelesen.

Korrigierte Kinematikbeschreibung

Damit die Verrechnung der Korrekturdaten wirklich einwandfrei klappt, arbeitet der Messsystem-Hersteller eng mit den Steuerungsherstellern zusammen. „Über die Software-Option KinematicsComp, die für die Heidenhain-Steuerungen TNC 640 und iTNC 530  erhältlich ist, kann eine umfangreiche Beschreibung der Maschinenfehler in der Steuerung hinterlegt werden. Die Software kompensiert dann automatisch Positionsfehler, die durch statische Fehler der physikalischen Maschinenachsen entstehen. Dabei werden die Positionen aller Rund- und Linear-Achsen sowie die aktuelle Werkzeuglänge verrechnet“, erklärt Gero Günther vom Steuerungshersteller Heidenhain das Verfahren. „Die Genauigkeit am Tool Center Point steigt durch dieses Verfahren im gesamten Arbeitsvolumen.“