Reportagen + Trends
Intelligente Bearbeitung
25.08.2009
Vorschubregelung: Adaptive Feed Control, AFC, heißt die als Option erhältliche, integrierte adaptive Vorschubregelung von Heidenhain für die Steuerung iTNC 530.
Mit AFC lassen sich Bearbeitungszeiten optimieren und gleichzeitig die eingesetzten Werkzeuge überwachen.
Steuerungen von Heidenhain ermöglichen seit jeher eine manuelle Korrektur des programmierten Vorschubs, wenn dies während der Bearbeitung erforderlich wird. Dafür steht auf dem Bedienfeld ein Drehregler zur Verfügung, mit dem der Bediener den Bahnvorschub reduzieren oder auch erhöhen kann. Diese Korrekturmöglichkeit ist jedoch immer abhängig von der Erfahrung und – nicht zuletzt – von der Anwensenheit des Bedieners.
Einen Schritt weiter geht die als Option erhältliche, integrierte adaptive Vorschubregelung AFC der iTNC 530. Mit dieser wird der Bahnvorschub abhängig von der jeweiligen prozentualen Spindelleistung automatisch von der iTNC geregelt. Dies erfolgt mit Hilfe des Vorschub-Override-Faktors, der normalerweise aus der Stellung des Override-Potentiometers, das für die manuelle Korrektur verwendet wird, ermittelt wird. Dieser Faktor wird bei aktiver AFC dann nicht mehr vom Potentiometer, sondern abhängig von der Spindelleistung – und sonstigen vom Anwender definierbaren Parametern – von der iTNC gebildet und daraus der Bahnvorschub berechnet.
In einem Lernschnitt zeichnet die iTNC-Steuerung die maximal auftretende Spindelleistung auf. Dieser Lernschnitt kann sowohl zeitlich als auch auf einen definierbaren Weg begrenzt werden, sodass AFC auch in der Einzelteilfertigung durchaus sinnvoll einsetzbar ist. In einer Tabelle werden vor der eigentlichen Bearbeitung die jeweils einzuhaltenden Grenzwerte definiert, zwischen denen die iTNC im Modus „Regeln” den Vorschub beeinflussen darf. Selbstverständlich lassen sich verschiedene Überlastreaktionen festlegen, die auch vom Maschinenhersteller flexibel definierbar sind. Die eingelernten Daten speichert die iTNC in einer Tabelle ab, die fest zum jeweiligen Bearbeitungsprogramm gehört, sodass die ermittelten Werte beim erneuten Abarbeiten wieder zur Verfügung stehen.
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Optimierung der Bearbeitungszeit
Durch den Einsatz der adaptiven Vorschubregelung ergeben sich in der Fertigung wesentliche Vorteile, wie etwa eine Optimierung der Bearbeitungszeit. Insbesondere bei Gussteilen treten mehr oder weniger große Aufmaß- oder Materialschwankungen (Lunker) auf. Durch eine entsprechende Regelung des Vorschubs wird versucht, die zuvor eingelernte maximale Spindelleistung während der gesamten Bearbeitungszeit einzuhalten. Die Gesamtbearbeitungszeit wird durch Vorschuberhöhung in Bearbeitungszonen mit weniger Materialabtrag verkürzt. Besonders viel Zeit lässt sich einsparen, wenn bei der Bearbeitung unterbrochene Schnitte vorkommen, also wenn das Werkzeug viel in Luft verfahren wird.
Ein weiterer Pluspunkt ist die Werkzeugüberwachung. Die adaptive Vorschubregelung der iTNC vergleicht permanent die Spindelleistung mit der Vorschubgeschwindigkeit. Wird ein Werkzeug stumpf, steigt die Spindelleistung an. In Folge davon reduziert die iTNC den Vorschub. Sobald ein eingestellter Mindestvorschub unterschritten wird, reagiert die iTNC durch Abschalten oder Fehlermeldung, oder auch durch vollautomatisches Einwechseln eines Schwesterwerkzeugs (Weg- und Wiederanfahrbewegungen natürlich eingeschlossen). Dadurch lassen sich Folgeschäden nach Fräserbruch oder Fräserverschleiß auf einfache Weise verhindern.
Außerdem wird durch eine Reduzierung des Vorschubs bei Überschreitung der gelernten maximalen Spindelleistung bis zur Referenz-Spindelleistung die Maschinenmechanik geschont. Die Hauptspindel wird somit wirksam gegen Überlastung geschützt.
Um eine konkrete Aussage über den Einfluss von AFC auf die Standzeit und den Verschleiß der Werkzeugschneiden treffen zu können, gleichzeitig aber auch den Einfluss von AFC in Bezug auf die Bearbeitungszeit zu untersuchen, wurden gemeinsam mit dem Werkzeughersteller Ceratizit Austria und dem Werkzeugmaschinenhersteller Deckel Maho in Pfronten Fräsversuche auf einer DMC 60 U mit einer iTNC 530 durchgeführt.
Auf einen Blick
AFC von Heidenhain im Detail
Die als Option erhältliche Adaptive Feed Control, AFC, ist die vollständig integrierte, adaptive Vorschubregelung der Steuerung iTNC 530. Sie regelt den Bahnvorschub der iTNC automatisch – abhängig von der jeweiligen Spindelleistung und sonstigen Prozessdaten, aber unabhängig vom NC-Programm. In einer Tabelle definiert der Maschinenbediener die jeweils einzuhaltenden Grenzwerte, zwischen denen die iTNC im Modus „Regeln” den Vorschub beeinflussen darf. Dann zeichnet die iTNC in einem Lernschnitt vor der eigentlichen Bearbeitung die maximal auftretende Spindelleistung auf. Dabei lassen sich auch verschiedene Überlastreaktionen vorgeben.
Zum Einsatz kamen ein Rundplattenfräser D80 sowie ein Eckfräser D40 von Ceratizit. Die Maschine DMC 60 U hat eine Spindelleistung von 28 kW (18.ooo min-1) und ein Drehmoment von 121Nm. Die Werkzeugaufnahme war mit einem Hohlschaftkegel HSK-A 63 ausgestattet. Als Werkzeug wurden ein Rundplatten/Planfräser ø80 mm, sowie ein Eckmesserkopf ø40 mm von Ceratizit verwendet. Als Material wurde ein unlegierter Vergütungsstahl CK 45 (1.1191) bearbeitet. Ein Kühl-Schmierstoff wurde dabei nicht eingesetzt.
Die aus den durchgeführten Versuchen gewonnenen Ergebnisse zeigen, dass in diesem Anwendungsfall die Bearbeitungszeit mit Standard-Einstellwerten zwischen 15,85 Prozent und 20,9 Prozent reduziert werden konnte. Außerdem ließ sich nachweisen, dass die Standzeit der Werkzeuge durch AFC nicht nachhaltig beeinträchtigt wird. Der gemessene Verschleiß an der Werkzeugschneide ist mit AFC sogar gleichmäßiger.
Gerhard Bailom, Segmentleiter Automotive bei Ceratizit, skizziert die Wirtschaftlichkeitsberechnung aus Sicht des Werkzeugherstellers: „Wir wollen gemeinsam mit dem Anwender Lösungen erarbeiten, um die Werkstückkosten zu senken. Hier sind Potenziale realisierbar, die Einsparungen im Bereich der Werkzeugkosten bis zum Zehnfachen übersteigen.”
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Standzeit und Wirtschaftlichkeit
Erfahrungsgemäß belaufen sich die Werkzeugkosten lediglich auf etwa drei bis fünf Prozent des Maschinenstundensatzes. Selbst wenn sich die Standzeit durch eine aggressive AFC-Regelung um beispielsweise 20 Prozent verkürzt, würde sich der Maschinenstundensatz nur um ein Prozent erhöhen.
Demgegenüber stehen HauptzeiteinÂsparungen von bis zu 20 Prozent. Eine geringfügige Erhöhung der Werkzeugkosten ist somit in Summe betrachtet kein wesentlicher Kostenfaktor.
Die Wirtschaftlichkeit eines Fertigungsprozesses an einer Fräsmaschine ergibt sich dabei durch die Kalkulation der Fertigungsstückkosten. Diese resultieren aus dem Maschinenstundensatz dividiert durch die Anzahl der zu bearbeitenden Werkstücke.
Fazit: Wenn bei einer Fertigung mit AFC die Bearbeitungszeit um etwa 15 Prozent reduziert wird, können pro Maschinenstunde mehr Werkstücke produziert werden. Die Standzeit der Werkzeuge verändert sich dabei unwesentlich. Die Standzeit alleine ist daher also keine wesentliche Aussage zur Wirtschaftlichkeit eines Werkzeugs.
