Bearbeitungszentrum

Bearbeitungszentrum der Firma Wenzler

Ein Bearbeitungszentrum ist eine multifunktionale Werkzeugmaschine für spanende Fertigungsverfahren nach DIN 8560. Sie sind hervorragend für die Serienfertigung und Großserienfertigung geeignet, da sie in der Regel über einen automatischen Werkzeugwechsler verfügen. Einige besitzen sogar ein automatisches Bestückungssystem für Werkstücke, Turnkey-Anlagen genannt, andere können mit Robotern kombiniert werden.

Aufbau

Bearbeitungszentren besitzen aus Sicht der grundlegenden Maschinenteilen einen ähnlichen Aufbau wie eine Fräsmaschine. Dazu gehören:

Gestell

Die Basis und Grundlage für die anderen Baugruppen bildet das Maschinengestell. Die Variante bei denen Gestell und Maschinenständer eine fest verbundene Einheit bilden nennt man Monoblockbauweise. Diese Bauweise besitzt eine hohe dynamische Belastbarkeit und eine geringe Standfläche und bietet damit gleich zwei Vorteile gegenüber der getrennten Variante. Ab einer gewissen Größe ist die allerdings nicht mehr möglich, da die Dimension der Maschine für den Transport zu groß wird. Um die Schwingungen und Vibrationen der Maschine zu reduzieren wird das Gestell als Gussbauteil ausgelegt. Dadurch wird das Gewicht erhöht und die damit auch die Standsicherheit. Bei Großanlagen besteht das Gestell aus mehreren modularen Schweißbauteilen, die vor Ort gefügt werden. In das Gestell kann auch gleichzeitig der Tank für Kühlmittel integriert werden

Hauptspindel

An die Spindel eines Bearbeitungszentrum werden aufgrund der auftretenden Querbelastungen besondere Anforderungen gestellt. Eine Pinole, wie sie bei einer Bohrmaschine zum Einsatz kommt, ist aufgrund der fehlenden Steifigkeit zum Aufnehmen radialer Kräfte ungeeignet. Man verwendet Werkzeugköpfe, welche heutzutage über hydraulische Werkzeugspannungssysteme besitzen. Die Hauptspindel kann je nach Maschinentyp fest an einem Ständer montiert sein oder auf einer Führung sitzen. Moderne Maschinen besitzen Werkzeugköpfe mit 5 oder mehr Achsen

Führungen

Für die vielen translatorischen Bewegungen, benötigen diese Maschine auch eine entsprechende Anzahl an Führungen. Die Verarbeitung und Qualität der Führungen entscheidet dabei wesentlich mit über die Genauigkeit der Maschine. Je nach Aufbau und Variante der Maschine führen die Schienen entweder Tisch oder Spindel zur Realisierung des Vorschubs. Die Gleitführungen haben meist die Form eines Doppel-Schwalbenschwanzes. Dadurch ist eine sichere Führung stets gegeben. Neben den Linearführungen kommen bei Bearbeitungszentren vermehrt Rotationsführungen zum Einsatz. Mit diesen kann der Freiheitsgrad der Maschine um mehrere Stufen erhöht werden und die Bearbeitungsmöglichkeiten steigen enorm an.

Bauarten

Bearbeitungszentren lassen sich grundsätzlich in zwei verschiedene Bauarten einteilen:

Horizontal

Horizontale Bearbeitungszentren (HBZ) besitzen typischerweise drei Freiheitsgrade für die Spindel und einen Freiheitsgrad für den Tisch. Die Spindel realisiert dabei die translatorische Bewegung in X und Y-Richtung aus, sowie die rotatorische Bewegung des Werkzeuges. Der Tisch übernimmt die Bewegungsrichtung in Z-Richtung. Je nach Ausführen des Schlittens (Führung des Tisches) unterscheidet man in die so genannte Fahrständerbauweise und die Box-in-Box-Bauweise. Bei der Box-in-Box-Bauweise können aufgrund der geringen bewegten Massen Beschleunigungen von bis zu 15 m/s² und Achs-Geschwindigkeiten von bis zu 120 m/min erreicht werden. Allerdings besteht liegt auch darin ihr größtes Problem. Durch die Geringe Masse der Führung ensteht ein Defizit im Bereich der Steifigkeit gegenüber der Fahrständerbauweise. Das macht die Maschine weniger geeignet für Bearbeitungen mit hohen Kräften. Daher stellen seit einigen Jahren immer mehr Hersteller die Produktion um auf die Fahrständerbauweise. Der stabile Fahrständer auf dem Bett ermöglich die Aufnahme hoher Kräfte aufrund der erhöhten Steifigkeit. Nachteilig ist hier die geringe Achs-Geschwindigkeit bis zu 60 m/min. und Beschleunigung bis 10 m/s². Horizontale Bearbeitungszentren werden oft zu einer zusammenhängenden Transferstraße kombiniert (wie im Video weiter oben zu sehen).

Vertikal

Vertikale Bearbeitungszentren (VBZ) lassen sich in verschiedene Grund-Kinematiken unterteilen. Die am verbreitetste Variante nennt sich Kreuztisch-Bauweise. Bei ihr führt die Spindel translatorisch lediglich die Z-Richtung aus, natürlich nebst der rotatorischen Bewegung des Werkzeuges. Der Maschinentisch besitzt zwei aufeinander aufbauende Bewegungsrichtungen. Der große Vorteil dieser Bauweise ist die geringe Auskragung der Maschine und eine konstant hohe Steifigkeit über den gesamten Arbeitsraum. Nachteilig ist hingegen der ungünstige Spänefall auf den Maschinentisch. Ebenfalls verursacht die Interpolation der beiden Tischachsen Probleme in Bezug auf die erreichbaren Oberflächengüten bei wechselnden Werkstück-Gewichten. Eine weitere verbreitete Bauart ist die Portalbauweise. Im Vergleich zu der Kreuztisch-Bauweise verbessert sich hier der Spänefall und auch die Steifigkeit der Maschine erhöht sich. Nachteile bestehen in den großen Gussteilen des Portals, welche die Kosten steigen lassen und Gewicht und Platzbedarf steigern.

Tapping Center

Diese Ausführung besitzt lediglich 3 Achsen und erreicht aufgrund der leichten Struktur eine eingeschränkte Fräsleistung, sowie Genauigkeit. Trotzdem ist dieser Maschinentyp ungewöhnlicherweise weit verbreitet. Grund hierfür sind wahrscheinlich die geringen Kosten, die diese Bauweise auch für kleine Serien rentabel macht.

Einsatzgebiete

Wie bereits beschrieben sind Bearbeitungszentren meist in der Serienfertigung anzutreffen. Horizontale Bearbeitungszentren werden dabei besonders oft zur Bearbeitung kubischer Bauteile eingesetzt. Das ist darauf zurückzuführen, dass der Spänefall für kubische Bauteile besonders günstig ist und ein Zugang von oberhalb der Maschine möglich ist.

Steuerung

Viele Komponenten und Eigenschaften der Steuerung von Bearbeitungszentren stimmen mit Universalmaschinen überein. Da sie aber fast ausschließlich in der Serienfertigung eingesetzt werden, erfolgt die Programmierung meist durch die Ingenieure oder IT-Techniker. Diese erstellen die Programme mit Hilfe von CAD- oder CAM-Systemen an Programmierplätzen. Das Programm wird je nach Struktur des Unternehmens und der Maschine dann entweder über einen physischen Datenträger oder digital über eine Datenbahn beziehungsweise über Funk aufgespielt. Im Speicher der Maschine abgelegt muss der Bediener dann nur das entsprechende Programm auswählen und die Maschine rüsten. Die Anforderungen, die an die Ein- und Ausgabegeräte der Maschine gestellt werden, sind daher vergleichsweise gering. Da Bearbeitungszentren ein hohes Investitionsvolumen besitzen, inklusiv das Aufstellen eines speziell geschulten Teams zur Bedienung/Wartung, spielt die Reduzierung von Nebenzeiten eine große Rolle. Hohe Achsgeschwindigkeiten, hohe Drehzahlen und eine leistungsstarke Steuerung sind das Ergebnis.