pL Lehmann : Mit CNC-Drehtisch zu fünfachsigem Schleifen

Die Dama Technologies AG im Schweizer Ort Lömmenschwil hat sich eine Nische erobert. Geschäftsführer Marcel Weber beschreibt die Besonderheit seines Unternehmens: „Wir entwickeln und bauen fast ausschließlich Maschinen für die Bearbeitung von sprödharten Werkstoffen, so genannten Advanced Materials, zu denen Industriekeramik, Saphir, Glas sowie Composite Materials, also auch neue sehr schwer zerspanbare Materialien gehören. In diesem Umfeld haben wir uns hauptsächlich auf den Bereich Schleifen mit Ultraschallunterstützung konzentriert.“

Die Entwicklung eines modularen Schleifmaschinen-Systems ermöglicht Dama eine große Angebotsbreite. Je nach Kundenwunsch werden Maschinen zum Rund- und Flach- bis hin zum Konturenschleifen konfiguriert, von einachsig bis fünfachsig simultan. „Unsere Spezialität liegt darin, dass wir der rotativen Schleifbewegung eine durch Ultraschall angeregte axiale Oszillation überlagern“, erklärt Marcel Weber. Das heißt, die eigentliche Bearbeitung ist das Schleifen mit rotierenden Werkzeugen wie Schleifscheiben oder Schleifstifte. Gleichzeitig schwingt das Werkzeug in einem definierten Bereich. Dadurch reduzieren sich die benötigten Bearbeitungskräfte bzw. Bearbeitungszeiten. Zudem lassen sich kleinere Werkzeuge einsetzen und feinere Strukturen erzeugen. Insbesondere bei der Hartbearbeitung eröffnet diese Technik viele neue Möglichkeiten.

Die Basistechnik, um den Ultraschall in einer Werkzeugmaschine zu nutzen, hat die 2001 gegründete Dama Technologies AG vom Vorgängerunternehmen Dama (Darmstädter Maschinenbau) Optikmaschinen übernommen und kontinuierlich weiterentwickelt. Heute erzeugt ein Ultraschallgenerator Schwingungen in einem Frequenzbereich zwischen 20 und 45 kHz. Die elektrische Energie wird in einem Wandler in mechanische Bewegungen umgesetzt, die dann aufs Werkzeug übertragen werden. „Eine nicht ganz einfache Prozesskette“, erwähnt Marcel Weber. „Wobei unsere neuen Systeme, bei denen die Energieübertragung induktiv, also kontaktlos erfolgt, sehr störungs- und wartungsarm funktionieren.“

Dieses Ultraschallsystem ist ein Kernelement des Dama-Schleifmaschinen-Baukastens, der zahlreiche weitere Standardelemente enthält. Die Basis für die hochpräzise Schleifbearbeitung legt ein stabiler, schwingungsarmer Gussständer. Üblicherweise verfügen die Maschinen über drei Linearachsen, die über Servomotoren mit vorgespannter Kugelumlaufspindel angetrieben werden. Sie sind außerhalb des Bearbeitungsraums angeordnet und somit gegen Schleifschlamm und Staub geschützt. Lineare Rollenführungen sorgen für eine ruhige, stabile Bewegung.

Je nach Applikation kann der Kunde aus verschiedenen Spindeln und Spannvorrichtungen, Werkzeughaltern und Werkzeugen (mit oder ohne Werkzeugwechsler) sein optimales System zusammenstellen. Zum Arbeiten mit Mikroschleifstiften bietet eine optionale Innenspülung mit Druckkontrolle einen guten Support. Ein Kraftmesssystem mit automatischer Vorschubanpassung unterstützt bei der Prozessoptimierung und garantiert eine hohe Wiederholgenauigkeit.

Die drei Linearachsen der USG lassen sich durch Rundachsen ergänzen. So kann zum Beispiel eine B-Achse installiert werden, um den Kopf zu schwenken und vierachsige Bearbeitungen durchzuführen. Auch für fünfachsige Bearbeitung, die immer stärker nachgefragt wird, hat Dama ein Lösung parat: die Ultraschall-Schleifmaschine USG 500.

Für diese Version haben die Dama-Entwickler einen Standard-Drehtisch EA-520.L des Schweizer Herstellers pL Lehmann, Bärau, in die Maschine integriert (Technische Daten: Spindellast max.: 400kg und 800kg mit Abstützung / Haltemoment Spindelklemmung: 2'000Nm / Kippmoment: 3'900Nm / Axialkraft: 100kN / Vorschubmoment max.: 440Nm / Max. Spindeldrehzahl: 50 1/min). Der CNC-Drehtisch ist an einem speziellen Support befestigt, der eine geometrisch präzise Ausrichtung ermöglicht. Er dient als vierte Achse, um das Bauteil zu schwenken. „Wenn wir eine Indexierachse mit einem selbsthemmenden Antriebsmechanismus, also einem Getriebe, benötigen, arbeiten wir schon seit 2007 mit der Firma Lehmann zusammen“, betont Marcel Weber. „Aus Erfahrung wissen wir, dass bei diesen Achsen die Präzision über eine lange Lebensdauer hin stimmt. Mit den Produkten anderer Anbieter haben wir etwas weniger gute Erfahrungen gemacht.“

Bei der USG 500 sitzt auf dem Lehmann-Drehtisch eine weitere Drehachse, ein von Dama selbst gebauter Direktantrieb. Sie ist ebenfalls indexierbar und hochpräzise. Als Torque-Achse bietet sie eine höhere Drehzahl und geringeres Drehmoment als ein Getriebemotor, was den anvisierten Schleifbearbeitungen geschuldet ist.

Ein typisches Beispiel für eine fünfachsige ultraschallunterstützte Schleifbearbeitung stammt aus der optischen Industrie: ein sogenanntes Laser-Gyros (Laserkreisel), das aus einem quadratischen Block aus glaskeramischem Material besteht, der auf allen vier Seiten präzise Bohrungen enthält. Das Bauteil gehört zu Positioniersystemen, die in der Luft- und Raumfahrt, im Schiff- und Zugverkehr, aber auch in Bohranlagen verwendet werden, wo man Positionierungen beziehungsweise Lageveränderungen mit sehr hoher Präzision erkennen muss.

Aber auch andere Branchen wie zum Beispiel die Uhrenindustrie oder Medizintechnik nutzen diese speziellen Fünfachs-Maschinen fürs Schleifen keramischer Werkstoffe. Selbst präzise Simultanbearbeitung ist möglich. Laut Marcel Weber ergänzen sich hierbei der Lehmann-Drehtisch und die Dama Torque-Achse ideal. Der EA-520 habe die richtige Größe und liefere das benötigte hohe Drehmoment, um die aufgesetzte Torque-Achse sicher und präzise zu schwenken. Auch die Haltekraft sei völlig ausreichend, denn beim Schleifen treten keine großen Bearbeitungskräfte auf.Und das bei Lastwechseln problematische Umkehrspiel halte sich in so engen Grenzen, dass es die Präzisionsanforderung – durch den Einsatz eines optischen Winkelmesssystems und entsprechender Regelung – erfüllt. „Wir garantieren heute eine Genauigkeit von +/- 5 Sekunden, wissen aber, dass die tatsächlichen Werte deutlich darunter liegen“, ergänzt Marcel Weber.

Sehr gespannt ist der Dama-Geschäftsführer allerdings auf die erst seit kurzem angebotene Edition 3 der Lehmann-Drehtische, die mit dem von Lehmann neuentwickelten PGD (preloaded gear drive) ausgestattet ist. Dieser Getriebedrehtisch wird in definiert vorgespanntem Zustand ausgeliefert und ermöglicht die Simultanbearbeitung auch ohne Direktmesssystem. Bei der nächsten Gelegenheit wird Dama die Drehtische mit PGD einsetzen. Das wird nicht allzu lange auf sich warten lassen, denn in der Regel werden von der USG 500 etwa fünf Stück pro Jahr gebaut.

Der Umgang mit der fünfachsigen Ultraschall-Schleifmaschine ist einfach. Dafür sorgt eine CNC-Steuerung aus dem Hause B&R Automation. Marcel Weber erklärt: „Dieses österreichische Unternehmen kommt zwar eher aus dem SPS-Segment, bietet aber eine CNC mit großer Offenheit an. So können wir für eine Arbeitsumgebung sorgen, die einfache und übersichtliche Dialoge für Bohren, Ausbohren, Trennschleifen, Flach- oder Linsenschleifen enthält. Das vereinfacht das Einrichten und Programmieren, so dass auch Mitarbeiter ohne spezielle CNC-Kenntnisse die Maschine bedienen können. Kombiniert mit einer CAM-Lösung lassen sich auch komplizierte 3D-Geometrien schleifen.“