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Vollautomatisierte Komplettbearbeitung von Turbinen- und Spezialwellen – NILES-SIMMONS entwickelt den neuen Prozess des „CENTER AXIS ALIGNMENT“ 

Dr.-Ing. Moritz Halle, Dipl.-Ing. Tho­mas Wächt­ler, NILES-SIMMONS Indus­trie­an­la­gen GmbH 

 

Das Ein­satz­ge­biet

In hoch­tech­ni­sier­ten, inno­va­ti­ven und sen­si­blen Indus­trie­be­rei­chen wie bei­spiels­weise der Luft- und Raum­fahrt­in­dus­trie oder den Sek­to­ren Defense und Ener­gie stei­gen die Anfor­de­run­gen an die Fer­ti­gung kom­ple­xer Bau­teile und die Bear­bei­tung hoch­fes­ter Mate­ria­lien ste­tig. Ins­be­son­dere die Redu­zie­rung der Feh­ler­an­fäl­lig­keit inner­halb von Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen für hoch­kom­plexe und kos­ten­in­ten­sive Werk­stü­cke rückt mit Blick auf die „Cost-per Part“ und die zu errei­chen­den Genau­ig­kei­ten immer stär­ker in den Mittelpunkt.

Um die­sen Anfor­de­run­gen Rech­nung zu tra­gen, hat NILES-SIMMONS den neuen voll­au­to­ma­ti­sier­ten und paten­tier­ten Bear­bei­tungs- und Mess­pro­zess des „CENTER AXIS ALIGNMENT“ spe­zi­ell für die Bear­bei­tung von Tur­bi­nen­wel­len ent­wi­ckelt. Die­ser ermög­licht die Kom­plett­be­ar­bei­tung kom­pli­zier­ter, tief­loch­ge­bohr­ter wel­len­för­mi­ger Werk­stü­cke inklu­sive aller Inpro­zess-Mes­sun­gen ohne manu­elle Bedienereingriffe.

Komplettbearbeitung von Turbinenwellen ohne Bedienereingriff

Abbil­dung 1  – Kom­plett­be­ar­bei­tung von Tur­bi­nen­wel­len ohne Bedienereingriff

 

Ziel des Bear­bei­tungs­pro­zes­ses ist es dabei die Außen­kon­tur des Werk­stü­ckes exakt an die Innen­kon­tur anzu­pas­sen, um eine gleich­mä­ßige Wand­stärke des Werk­stü­ckes ent­lang sei­ner Achse zu errei­chen. Das Ver­fah­ren ist für alle elek­trisch lei­ten­den Mate­ria­lien wie ein­fa­che Stähle aber auch für Super­le­gie­run­gen oder Nickel­ba­sis-Legie­run­gen wie Inco­nel 718 anwend­bar und lässt sich neben Tur­bi­nen­wel­len, auch für wei­tere tief­loch­ge­bohrte Werk­stü­cke mit bis zu 2 Metern Länge anwenden.

 

Die Maschi­nen­kon­fi­gu­ra­tion

Umge­setzt wird der neue Pro­zess auf einem NILES-SIMMONS Bear­bei­tungs­zen­trum N30MC mit einer Spit­zen­weite von 4500 mm und einem Umlauf­durch­mes­ser von 780 mm, wel­ches spe­zi­ell für diese Bear­bei­tung kon­fi­gu­riert wurde. Zu der spe­zi­fi­schen Aus­stat­tung der Maschine gehö­ren dabei eine Haut­spin­del, ein Dreh-Fräs-Aggre­gat, ein absenk­ba­rer Reit­stock, zwei Lünet­ten-Schlit­ten mit je einer Lünette und einer Dämp­fungs­ein­heit sowie ein Bohrstangen-Schlitten.

Dreh-Fräs-Bearbeitungszentrum N30MC

Abbil­dung 2  – Pro­zess „CENTER AXIS ALIGNMENT“ auf einem NILES-SIMMONS Bear­bei­tungs­zen­trum N30MC

 

Wei­ter­hin ste­hen, sowohl für den Bohr­stan­gen­schlit­ten als auch für das Dreh-Fräs-Aggre­gat von­ein­an­der unab­hän­gige Werk­zeug­ma­ga­zine zur Ver­fü­gung. Für die mehr­ach­sige Dreh-Fräs-Ein­heit kön­nen im haupt­spin­del­sei­tig plat­zier­ten Maga­zin bis zu 144 Werk­zeug­plätze   bereit­ge­stellt wer­den. Für den Bohr­stan­gen­schlit­ten ste­hen in einem zusätz­li­chen Bohr­stan­gen­ma­ga­zin reit­stock­sei­tig bis zu 16 Plätze zur Ver­fü­gung. Es kön­nen bis zu 2 Meter lange Sys­tembohr­stan­gen, ange­trie­bene Bohr­stan­gen, sta­ti­sche Bohr­stan­gen, sta­ti­sche Bohr­stan­gen mit aus­steu­er­ba­rer Schneide, Mess­lan­zen oder eine Kas­sette mit Antrieb und Fut­ter­funk­tion ein­ge­setzt werden.

Mit die­ser Kon­fi­gu­ra­tion las­sen sich, ins­be­son­dere durch den Ein­satz des absenk­ba­ren Reit­sto­ckes, alle der­zeit am Markt vor­han­de­nen Typen von Tur­bi­nen­wel­len in den unter­schied­li­chen Län­gen auf einer Maschine bear­bei­ten. Auch beson­ders lange Bau­teile kön­nen, spe­zi­ell auf­grund die­ser Option, pro­blem­los bear­bei­tet wer­den, ohne dafür eine Bau­größe mit grö­ße­rer Auf­stell­flä­che wäh­len zu müssen.

Zudem kön­nen prin­zi­pi­ell alle spa­nen­den Tech­no­lo­gien wie z.B. Dre­hen, Frä­sen, Boh­ren, Ver­zah­nungs­frä­sen, Gewin­de­boh­ren, Gewin­de­frä­sen, Gewin­de­dre­hen, Rei­ben, Spin­deln, Innen­be­ar­bei­tung mit aus­steu­er­ba­rer Schneide, Power Ski­ving, 5‑Achs-Frä­sen und Tief­loch­boh­ren bis 2000 mm Tiefe pro­zess­si­cher abbil­det wer­den. Auch das tak­tile und opti­sche Mes­sen der Werk­zeuge und tak­ti­les Mes­sen des Werk­stü­ckes wer­den auto­ma­ti­siert inner­halb der Maschine durch­ge­führt. Mit den Dreh- und Fräs­ver­fah­ren wer­den dabei Genau­ig­kei­ten unter 5µm erzielt.

Auf­grund der Inte­gra­tion aller not­wen­di­gen Tech­no­lo­gien in eine Maschine, der auto­ma­ti­sier­ten Werk­zeug­be­stü­ckung und dem Ein­satz kom­ple­xer Mess­tech­no­lo­gien kann eine bedien­erlose Kom­plett­be­ar­bei­tung pro­zess­si­cher abge­bil­det werden.

 

Innenbearbeitung mit Systembohrstange mit aussteuerbarer Schneide

Abbil­dung 3 – Innen­be­ar­bei­tung mit Sys­tembohr­stange mit aus­steu­er­ba­rer Schneide

 

Zur Erzie­lung einer erhöh­ten Tem­pe­ra­tur­sta­bi­li­tät und zur Sicher­stel­lung der kun­den­sei­tig gefor­der­ten Genau­ig­kei­ten trotz Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen wird ein flüs­sig­keits­ge­kühl­tes Spe­zi­al­be­ton­bett ein­ge­setzt. Zudem ver­fü­gen die Bear­bei­tungs­zen­tren über dämp­fende und schwin­gungs­re­du­zie­rende Kom­po­nen­ten wie FE-opti­mierte Schlit­ten-Geo­me­trien, hydrau­lisch geklemmte Kom­po­nen­ten der Werk­stückstütz­kom­po­nen­ten wie Reit­stock und Lünet­ten­schlit­ten, Dämp­fungs­flä­chen in Bear­bei­tungs­rich­tung und Rol­len­füh­run­gen der Bear­bei­tungs­ach­sen in Gr. 45/55.

Um eine über­sicht­li­che und ein­fa­che Bedie­nung zu gewähr­leis­ten, kommt ein Sie­mens OP19 mit zusätz­li­chem Touch­screen zur Pro­zess­über­wa­chung zum Einsatz.

 

Der paten­tierte Messprozess

Das zen­trale Ele­ment die­ses Son­der­ver­fah­rens ist der neue Mess­pro­zess zur Ermitt­lung der opti­ma­len Wel­len­zen­tr­ums­achse. Die­ser wurde durch NILES-SIMMONS ent­wi­ckelt sowie paten­tiert und basiert auf der Anwen­dung des Wir­bel­strom­mes­s­prin­zips mit dem der Abstand zwi­schen dem ein­ge­setz­ten Wir­bel­strom­sen­sor und dem Werk­stück erfasst wird.

Wirbelstromsensor zur Ermittlung der optimalen Werkstückzentrumsachse

Abbil­dung 4 – Wir­bel­strom­sen­sor zur Ermitt­lung der opti­ma­len Werkstückzentrumsachse

 

Die­ses Prin­zip zählt zu den berüh­rungs­lo­sen induk­ti­ven Mess­prin­zi­pien, wel­ches auch durch nicht­lei­tende Werk­stoffe mes­sen kann, ohne dass diese einen Ein­fluss auf das Mess­ergeb­nis haben. Das Ver­fah­ren ist daher ideal für den Ein­satz im rauen Indus­trie­um­feld geeig­net. Staub, Schmutz und Öl beein­flus­sen die Mes­sung nicht. Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen wer­den durch eine effi­zi­ente Tem­pe­ra­tur­kom­pen­sa­tion ausgeregelt.

Durch die voll­au­to­ma­ti­sierte Mess­wert­auf­nahme lässt sich der Pro­zess bedien­erlos durch­füh­ren – vom ers­ten Ein­span­nen des Werk­stü­ckes bis die­ses in sei­nem neuen Zen­trum gespannt ist. Hier­bei wird ein spe­zi­el­ler Wir­bel­strom­sen­sor samt Aus­wer­te­ein­heit der Firma µEp­si­lon ein­ge­setzt, wel­cher auf die werk­stück­spe­zi­fi­schen Eigen­schaf­ten kali­briert wurde. Die­ser kann bei einer Auf­lö­sung von unter einem Mikro­me­ter einen Mess­be­reich von bis zu 9 mm abdecken.

Der Sen­sor ist an der Spitze einer 2000 mm lan­gen Kar­bon­lanze mon­tiert, die in eine aus­wech­sel­bare modu­lare Mess­kas­sette inte­griert ist. Somit kann der Sen­sor über die Maschi­ne­n­ach­sen des Bohr­stan­gen­ag­gre­ga­tes im Arbeits­raum der Maschine inner­halb des tief­loch­ge­bohr­ten Werk­stü­ckes posi­tio­niert und bewegt wer­den. Wenn der Sen­sor ein­mal posi­tio­niert ist, las­sen sich über die Rota­tion des Werk­stü­ckes in einer belie­bi­gen Fein­heit die Abstände zwi­schen dem Sen­sor und dem Werk­stück messen.

Karbonmesslanze im Prozess „CENTER AXIS ALIGNMENT“

Abbil­dung 5 – Kar­bon­mess­lanze im Pro­zess „CENTER AXIS ALIGNMENT“

 

Aus die­sen Mess­da­ten lässt sich der Zen­trums­punkt des betrach­te­ten Durch­mes­sers berech­nen. Ent­lang der Werk­stück­längs­achse kön­nen mit die­ser Methode belie­big viele Zen­trums­punkte ermit­telt wer­den, wel­che den aktu­el­len Boh­rungs­ver­lauf abbilden.

Mit der Kennt­nis des Boh­rungs­ver­lau­fes wird aus den berech­ne­ten Zen­trums­punk­ten der ideale neue Ver­lauf der Zen­tr­ums­achse berech­net. Diese Zen­tr­ums­achse bil­det dann die Grund­lage zur Bear­bei­tung der neuen Spann­sitze des Werk­stü­ckes für des­sen Auf­nahme in die neue Spannsituation.

Mit­hilfe die­ses auto­ma­ti­sier­ten Pro­zes­ses kann die Abwei­chung des Außen­kon­tur­ver­lau­fes zum Innen­kon­tur­ver­lauf auf ein Mini­mum redu­ziert wer­den und so eine gleich­mä­ßige Wand­stärke der Welle ent­lang ihrer Achse her­ge­stellt werden.

 

Der Kun­den­nut­zen

Der wesent­li­che Vor­teil des „CENTER AXIS ALIGNMENT“ ist die voll­au­to­ma­ti­sierte Ver­mes­sung, Aus­rich­tung und Bear­bei­tung von tief­loch­ge­bohr­ten Werk­stü­cken ohne Bedienereingriff.

Alle für den Pro­zess not­wen­di­gen Schritte lau­fen voll­au­to­ma­tisch inner­halb pro­gram­mier­ter Pro­zess­gren­zen ab. Mit­un­ter, feh­ler­be­haf­tete manu­elle Bedien­ein­griffe oder feh­ler­an­fäl­lige manu­elle Mess­pro­zesse, wel­che bei bis­he­ri­gen kon­ven­tio­nel­len Abläu­fen erfor­der­lich waren, ent­fal­len voll­stän­dig. Damit ist es mög­lich die Pro­duk­tion von Aus­schuss­tei­len auf ein Mini­mum zu redu­zie­ren und die Qua­li­tät der Werk­stü­cke signi­fi­kant zu ver­bes­sern. Unge­eig­nete Roh­teile kön­nen zudem bereits am Anfang des Pro­zes­ses iden­ti­fi­ziert und aus­ge­schleust werden.

Auf­grund der Inte­gra­tion aller Tech­no­lo­gien und Mess­pro­zesse in eine Maschine las­sen sich die Takt­zei­ten ver­kür­zen und Logis­tik- und Hand­ling-Pro­zesse reduzieren.

Das Mess­ver­fah­ren ist unemp­find­lich für Umge­bungs­ein­flüsse wie Tem­pe­ra­tur­schwan­kun­gen oder Fremd­stoffe und lässt sich für ver­schie­denste Mate­ria­lien fle­xi­bel ein­set­zen. Durch den modu­la­ren Auf­bau der NILES-Maschi­nen las­sen sich zudem auf der glei­chen Maschine unter­schied­li­che Werk­stück­ty­pen bear­bei­ten und In-Pro­zess ver­mes­sen. Dies schafft maxi­male Fle­xi­bi­li­tät für den Kunden.

Das Ver­fah­ren ist bereits erfolg­reich in die Tur­bi­nen­wel­len­fer­ti­gung am Markt integriert.

 

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Kontakt

Bei Fra­gen zum Bear­bei­tungs­kon­zept oder zu unse­ren Maschi­nen und Tech­no­lo­gien kön­nen Sie sich gerne an uns wenden:

 

SALES – TEAM

NILES-SIMMONS Indus­trie­an­la­gen GmbH
Tel.: +49 371 – 802 204
Mail: sales.nsi@nshgroup.com

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