Hochpräzise Messung von Freiformflächen an geschnittenen Bauteilen

Eine Freiformfläche ist eine gekrümmte Fläche, die sich nicht mit einfachen Formeln darstellen lässt, wie sie für Kugeln, Würfel, Zylinder oder Rohrzylinder verwendet werden. Eine Freiformfläche wird durch die Festlegung mehrerer Schnittpunkte und Krümmungen im Raum beschrieben, wobei die Schnittpunkte mithilfe hochgradiger Gleichungen ergänzt werden.
Teile mit Freiformflächen umfassen unter anderem Laufräder, die in Produkten wie Pumpen und Verdichtern eingesetzt werden, sowie Propeller von Flugzeugen. Auch Zahnräder, wie etwa Schraubräder oder Spiralräder, können Zähne besitzen, die aus Freiformflächen bestehen.
Bei der Bearbeitung von Teilen mit Freiformflächen sind komplexe NC-Programme erforderlich, da eine multidimensionale Steuerung notwendig ist. Viele Bearbeitungsmaschinen können das geforderte Genauigkeitsniveau nicht erreichen, weshalb der Einsatz hochpräziser Fünf-Achsen-Bearbeitungsmaschinen erforderlich ist.

Eine Fünf-Achsen-Bearbeitungsmaschine ist eine Bearbeitungsmaschinen, die zusätzlich zu den drei linearen Achsen in X-, Y- und Z-Richtung zwei rotierende bzw. kippbare Achsen besitzt. Im Gegensatz zu Dreiachs-Maschinen erfordert eine Fünf-Achsen-Maschine keine speziellen Werkzeuge oder Vorrichtungen. Dies reduziert die Bearbeitungskosten, den Arbeitsaufwand und die Anzahl der Rüstvorgänge und verbessert gleichzeitig die Bearbeitungsqualität und -genauigkeit. Darüber hinaus ermöglicht eine Fünf-Achsen-Maschine die Bearbeitung mit einem hohen Freiheitsgrad.
In diesem Abschnitt werden die Unterschiede zwischen Drei- und Fünf-Achsen-Bearbeitungsmaschinen, der Aufbau und das Bearbeitungsprinzip simultaner Fünf-Achsen-Maschinen sowie wichtige Punkte zur Einführung und Bedienung einer simultanen Fünf-Achsen-Maschine erläutert.

Das Innenleben einer herkömmlichen Dreiachs-Maschine besteht aus einem Tisch zur Befestigung des Werkstücks und der Spindel. Die Spindel bewegt sich relativ zum Werkstück nach links und rechts (X-Achse), vorwärts und rückwärts (Y-Achse) sowie auf und ab (Z-Achse), um das Werkstück zu bearbeiten.
Eine Fünf-Achsen-Maschine hingegen verfügt zusätzlich zu den X-, Y- und Z-Achsen über zwei rotierende bzw. kippbare Achsen. Der Tisch, auf dem das Werkstück montiert ist, kann rotieren. Die beiden rotierenden und kippbaren Achsen bestehen aus der A-Achse, die das Werkstück um die X-Achse dreht, und der C-Achse, die das Werkstück um die Z-Achse dreht.
Dank dieser Konstruktion kann eine Fünf-Achsen-Maschine alle Oberflächen des Werkstücks auf dem Tisch bearbeiten – mit Ausnahme der Unterseite – ohne dass das installierte Werkstück vom Tisch entfernt werden muss.
Somit reduziert eine Fünf-Achsen-Maschine den Arbeitsaufwand für das Ändern des Montagewinkels des Werkstücks und ermöglicht die Bearbeitung komplexer Formen wie Freiformflächen, ohne spezielle Werkzeuge einzusetzen. Die freie Beweglichkeit des Werkstücks minimiert zudem den Werkzeugüberhang, wodurch Herausforderungen wie Genauigkeitsverluste durch Verformung der Fräswerkzeuge unter Bearbeitungsdruck vermieden werden.

Eine simultane Fünf-Achsen-Maschine bearbeitet das Werkstück, während alle Spindel- und Rotationsachsen gleichzeitig bewegt werden. Typische Fünf-Achsen-Maschinen bearbeiten das Werkstück, indem die A- und C-Achsen auf die vorgegebenen Winkel gedreht und anschließend geschnitten werden. Danach werden die Winkel geändert und erneut geschnitten. Dabei stehen die A- und C-Achsen still, während sich die Spindel bewegt. Dies wird als Indexierungs-Fünf-Achsen-Bearbeitung bezeichnet.
Im Gegensatz dazu führt eine simultane Fünf-Achsen-Maschine die Bearbeitung aus, während alle fünf Achsen gleichzeitig bewegt werden, wodurch die Bearbeitung glatter Freiformflächen möglich ist. Einige Bauteile, wie Laufradblätter, Schaufelscheiben sowie Ein- und Auslassöffnungen von Hubkolbenmaschinen, können nur mit simultanen Fünf-Achsen-Maschinen bearbeitet werden.

Fünf-Achsen-Maschinen sind herkömmlichen Dreiachs-Maschinen in vielerlei Hinsicht überlegen; dennoch ist bei Einführung und Betrieb auf die folgenden Punkte besonders zu achten:

Bei der Bearbeitung können dünne oder filigrane Werkstücke Verzug, Eigenspannungen oder andere Verformungen erfahren, die zu Bearbeitungsfehlern führen, selbst wenn Werkzeuge mit spezifizierter Genauigkeit verwendet werden. In solchen Fällen ist es erforderlich, das Design so zu ändern, dass Verformungen vermieden werden, oder die entstehenden Verformungen bereits bei der Bearbeitung der Werkstücke zu berücksichtigen. In diesem Abschnitt werden die Ursachen von Verformungen während der Bearbeitung erläutert.

Es ist von äußerster Bedeutung, dass die Abmessungen und Formen von Freiformflächen, wie z. B. Laufradblätter oder Zähne von Schraubrädern, den Vorgaben entsprechen. Für Querschnittsformen, die die Festigkeit und die Betriebssicherheit erheblich beeinflussen können, ist eine hochpräzise und quantitative 3D-Formmessung erforderlich. Üblicherweise werden Koordinatenmessmaschinen oder Messschieber für die Messung eingesetzt; diese Methoden bringen jedoch eine Reihe von Herausforderungen mit sich, wie z. B. Schwierigkeiten bei der genauen Messung und Messabweichungen zwischen verschiedenen Bedienern. Dazu zählt insbesondere die Schwierigkeit präzise Messergebnisse mit einer Koordinatenmessmaschine zu erzielen. Darüber hinaus erfordert die Identifizierung von Ursache und Lösung bei Problemen während der Bearbeitung einen erheblichen Zeitaufwand.

Insgesamt besteht die Schwierigkeit herkömmlicher Messwerkzeuge darin, dass sie keine vollständigen 3D-Oberflächendaten erfassen können, da die Flächenmessung mittels Punkt- und Linienkontakt erfolgt.
Zur Lösung dieser Messprobleme hat KEYENCE den 3D-Scanner der Modellreihe VL entwickelt. Die Modellreihe VL erfasst die 3D-Form des gesamten Bauteils berührungslos und mit hoher Genauigkeit. Ein 3D-Scan des auf dem Messtisch platzierten Objekts kann in wenigen Augenblicken durchgeführt werden, wodurch eine präzise Messung der 3D-Form ermöglicht wird. Dies erlaubt eine einfache Durchführung quantitativer Messungen ohne Schwankungen in den Messergebnissen. Nachfolgend werden einige spezifische Vorteile der Modellreihe VL erläutert.

Die Modellreihe VL kann Freiformflächen durch schnellen 3D-Scan berührungslos und präzise messen.
Eine Positionierung ist nicht erforderlich. Die Messung erfolgt einfach durch Platzieren des Bauteils auf dem Messtisch und einen Knopfdruck wodurch Schwankungen der Messwerte zwischen verschiedenen Bedienern ausgeschlossen werden.
Da die gesamte Oberfläche erfasst wird, können alle Defektstellen am Prüfling identifiziert werden, sodass Profilmessungen an beliebigen Stellen des Bauteils durchgeführt werden können. Die Modellreihe VL ermöglicht die Analyse von Bauteilen, die zuvor nicht messbar waren, beispielsweise die Analyse der Dicke und Teilung von Spiralzahnradzähnen oder Laufradschaufeln.
Querschnitte können in definierten Winkeln gemessen werden. Kreisförmige Elemente, die in Nutflächen eingreifen, können durch Vorgabe des Durchmessers erzeugt werden. Längs- und Querschnitte lassen sich ebenfalls an beliebigen Positionen messen, ohne das Werkstück zu zerstören.
Die 3D-Form kann in einer Farbkarte dargestellt werden. Durch das Teilen von visuell leicht verständlichen Daten können OK-/NG-Produkte identifiziert und Gegenmaßnahmen für durch die Bearbeitung verursachte Verformungen effizient geplant und umgesetzt werden.
Auf diese Weise ermöglicht die Modellreihe VL eine deutliche Effizienzsteigerung bei der Messung von bearbeiteten Bauteilen mit Freiformflächen, bei der Fehleranalyse und bei Maßnahmen zur Fehlerbehebung – alles wesentliche Elemente der Qualitätskontrolle in Fertigungsprozessen.