Technische Information

Höhere Genauigkeit für Bearbeitungszentren in derautomatisierten Großserienfertigung
Automobilkäufer fordern – in Abhängigkeit verschiedenster Randbedingungen – unterschiedliche Fahrzeugtypen sowie Motorisierungen.
So fragen sie beispielsweise abhängig von Kraftstoffkosten, Abgasnormen oder steuerlichen Maßnahmen in den einzelnen Märkten andere Fahrzeuggrößen, Motortypen und Motorleistungen nach. Für die Automobilhersteller erschwert dies die Abschätzung des Stückzahlverlaufs bzw. die Kapazitätsplanung und die Auslegung einer Produktionslinie.
Um den Kundenwünschen gerecht zu werden, bieten die Fahrzeughersteller unter anderem Motoren gleicher Zylinderzahl in verschiedenen
Leistungsklassen an. Dies hat zusätzlich eine Steigerung der Variantenanzahl zur Folge. Die kürzer werdenden Produktlebenszyklen derFahrzeuge sowie die volatilen Märkte führen somit zu veränderten Herausforderungen an die Produktion der Automobilhersteller [1]. Um
diesen Herausforderungen zu begegnen, werden die klassischen Merkmale der Produktion wie Qualität, Zeit und Kosten um den Aspekt
der Flexibilität erweitert.
Für die Produktionslinien zur mechanischen Bearbeitung der Antriebstrangkomponenten von Fahrzeugen (Motor-, Getriebe- und Achskomponenten) bedeutet dies den Weggang von klassischen Transferstraßen mit starrer Taktung und hoher Produktivität hin zu Linien mitverketteten Bearbeitungszentren und gesteigerter Flexibilität. Neben der Herausforderung, flexibel auf Nachfrageschwankungen der­Absatzmärkte für Fahrzeuge reagieren zu können, wird es außerdem zukünftig weiter steigende Anforderungen bezüglich des Schadstoffausstoßes sowie des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen seitens der Gesetzgeber und Endkunden geben. Ein Ansatz, dem zu­begegnen, besteht darin, die Reibung im Antriebsstrang zu reduzieren, woraus für die zu fertigenden Bauteile meist gesteigerte Qualitätsanforderungen resultieren.
Die in den Fertigungslinien eingesetzten verketteten Bearbeitungszentren haben die Aufgabe, die Forderungen der Produzenten auch bei
großen Stückzahlen prozesssicher umzusetzen (vgl. Abbildung 1). Der Einsatz von Längenmessgeräten in Closed Loop-Regelung in den
Vorschubachsen der Bearbeitungszentren trägt dazu bei, diese vielfältigen Anforderungen zu erfüllen.

November 2015

Abbildung 1: Zylinderkopfbearbeitung in der Großserienfertigung (Foto: MAG IAS GmbH)Von der Transferstraße zu verketteten Bearbeitungszentren
Mehr Flexibilität bei Varianten, Maschinen und Kapazitäten

Transferstraßen sind wenig anpassungsfähig
Da die einzelnen Stationen einer Transferstraße speziell auf die Bearbeitung eines
spezifischen Werkstücks ausgelegt werden, kann die starr verkettete Linie nicht
einfach um zusätzliche Stationen erweitert
werden. Um den geplanten maximalen Kapazitätsbedarf bereitstellen zu können ist
daher bereits zum Start der Produktion(SOP) der überwiegende Teil des Invests
der Produktionslinie zu tätigen. Da die
Stückzahlen zu Beginn der Produktion langsam ansteigen (Linienanlauf) bzw. am Endedes Produktlebens abfallen (Linienauslauf),
ergibt sich ein Überangebot an Fertigungskapazität (Abbildung 2). Dies bedeutet, dieinstallierte Kapazität wird nicht voll ausgeschöpft.

Stückzahlkapazität [E./a] Zusätzliche Herausforderungen ergebensich, wenn der Kapazitätsbedarf während
des Regelbetriebs der Transferstraße größer ausfallen sollte als ursprünglich ge­
plant, da die dann vom Markt geforderten
Werkstücke nicht mehr mittels der installierten Linienkapazität produziert werden
können. Die Duplikation einer Transferstraße zum Abfangen dieser Stückzahlspitzen
würde jedoch zu einer deutlichen Überkapazität führen.

Flexibilität durch verkettete Bearbeitungszentren
Durch den Einsatz verketteter Bearbeitungszentren (BAZ) können Fertigungslinien mit kleinerem Kapazitätsangebot installiert werden. Mit ihnen ist ein größeres
Spektrum an Fertigungsaufgaben und damit eine höhere Produktionsflexibilität verbunden. Die Anpassung an den realen
Stückzahlbedarf bei Linienanlauf kann dannbeispielsweise erfolgen, indem in die bestehende Produktionslinie an freigehaltenen Stellplätzen zusätzliche Bearbeitungszentren eingebunden werden oderdie gesamte Linie dupliziert wird.
Diese Annäherung des Kapazitätsangebots
an den Kapazitätsbedarf verfolgt das Ziel einer möglichst wirtschaftlichen Vergrößerung des Fertigungssystems [2]. Daher
geht der Trend in der Großserienfertigung
von Antriebsstrangkomponenten für Fahrzeuge weg von Transferstraßen hin zu Bearbeitungs- oder Transferzentren [3].
Die gesteigerte Flexibilität verketteter Bearbeitungszentren bezieht sich auf die möglichst schnelle und kostengünstige Reaktion auf Nachfrageschwankungen. So wird
beispielsweise angestrebt, verschiedene
Varianten eines Werkstücks ohne Umrüstaufwände auf der gleichen Fertigungslinie bearbeiten zu können (Varianten-Flexibilität).

realer Stückzahlverlauf

SOP

AnlaufTransferstraße

Regelbetrieb
Bearbeitungszentren

AuslaufZeit 

Abbildung 2: Stückzahl-Flexibilität – Kapazitätsangebot vs. Kapazitätsbedarf (nach [4])2

Ein weiterer Ansatz betrifft die vereinfachte
Erweiterung einer Produktionslinie um­zusätzliche Maschinen. Dies kann als
Re‑Use-Flexibilität bezeichnet werden, da
der Einsatz von Standardmaschinen sowie
deren einheitliche Verkettung eine vereinfachte Integration und Wiederverwendung
der Maschinen in anderen Fertigungslinien
ermöglichen.
Erfolgt die Betrachtung der Linienkapazitätüber die Lebensdauer eines zu fertigenden
Werkstücks, so führen die beschriebenen
Nachfrageschwankungen letztendlich zu
Differenzen zwischen dem Kapazitätsbedarf und dem Kapazitätsangebot der Fertigungslinie. Während mit Transferstraßen
nur vergleichsweise große Sprünge bei der
Produktionskapazität realisiert werden können, eignen sich Fertigungslinien mit verketteten Bearbeitungszentren für einekleinstufige Erhöhung der Kapazität bei
Produktionsanlauf. Weiterhin können sie
aufgrund ihrer höheren Flexibilität auch bei
Produktauslauf wieder zurückgebaut werden [4]. Abbildung 2 stellt den stufenweisen Invest im Rahmen der Anlaufphaseeines zu produzierenden Werkstücks sowie
den in der Auslaufphase erfolgenden Rückbau dar (Stückzahl-Flexibilität).
Abbildung 3 zeigt beispielhaft das Layout
einer Fertigungslinie für die mechanische
Bearbeitung eines Powertrain-Bauteils. Zu
erkennen sind die durch Portallader verketteten Bearbeitungszentren. Diese sind wiederum zu einzelnen Bearbeitungsoperationen gruppiert. Eine Bearbeitungsoperation
setzt sich somit aus mehreren Bearbeitungszentren zusammen, die parallel mit
dem gleichen Arbeitsinhalt betrieben werden.

Abbildung 3: Beispiel einer Fertigungslinie für die Großserienfertigung (Grafik: MAG IAS GmbH)
Horizontale Bearbeitungszentren bieten
VorteileÜblicherweise werden horizontale Bearbeitungszentren für die Produktion eingesetzt.
Diese weisen einen günstigen Spänefall
auf, wodurch beispielsweise mit geringerer
Kühlschmierstoffmenge zum Spülen von
Spänen oder auch mit Minimalmengenschmierung gearbeitet werden kann. Weiterhin sind diese Maschinen durch einfache
Front- oder Top-Beladung zur Versorgung
mit Werkstücken variabel automatisierbar.
Dies ermöglicht den Einsatz des gleichen
Maschinentyps für verschiedene Fertigungslinien, auch wenn unterschiedliche
Beladesysteme vorliegen. Aufgrund höherer Produktivität bei nahezu gleicher Aufstellfläche kommen zum Teil auch Doppelspindlermaschinen zum Einsatz (siehe
Abbildung 1 auf Seite 1).

Merkmale der automobilen Großserienfertigung
Zusammenfassend können folgende Merkmale für die spanende Bearbeitung kubischer Werkstücke der automobilen Großserienfertigung festgehalten werden:• Es besteht eine automatisierte Produktion
mit verketteten horizontalen Bearbeitungszentren• Ein Maschinenbediener betreut acht bis
fünfzehn Maschinen• Eine Bearbeitungsoperation besteht
meist aus mehreren baugleichen Bearbeitungszentren, die parallel mit dem
gleichen Arbeitsinhalt arbeiten• Die Bearbeitung eines Werkstücks erfolgt sequentiell über mehrere Bearbeitungsoperationen• Ein einzelnes Werkstück wird mittels
mehrerer Bearbeitungszentren gefertigt.
Daher sind mehrere Bearbeitungszentren verantwortlich für die Toleranzhaltigkeit des Werkstücks

Insbesondere der letzte Aufzählungspunkt
verdeutlicht, dass die gefertigten Toleranzen eines Werkstücks von den einzelnen Maschinen bzw. den Teilprozessen dergesamten Fertigungsanlage abhängen. Im
Vergleich zum Werkzeug- und Formenbau,
wo ein Werkstück auf einer Maschine, betreut durch einen Zerspanungsmechaniker,
gefertigt wird, ergeben sich in der Großserienfertigung Abhängigkeiten zwischen deneinzelnen Fertigungsschritten der Prozesskette. Dies gilt es bei der Auslegung desProzesses und der Fertigungslinie zu beachten.

3Kubische Powertrain-Komponenten
Bearbeitungsverfahren und Toleranzen

Der Antriebsstrang eines Fahrzeugs lässt
sich in die Module Motor, Getriebe undAchsen aufteilen [1]. Diese Module setzen
sich wiederum aus weiteren Komponentengruppen wie beispielsweise dem Ventiltrieb und dessen Bauteilen zusammen. Als
klassische kubische Bauteile der Power­
train-Fertigung sind u. a. Zylinderkopf, Kurbelgehäuse sowie Getriebegehäuse zu
nennen.
Aufgrund der hohen Stückzahlen und derdamit verbundenen Wirtschaftlichkeit werden die Werkstücke vor der mechanischen
Bearbeitung üblicherweise endkontournah
gefertigt. Das bedeutet, die primäre Geometrie des Werkstücks ist bereits durch
den Gießprozess oder auch durch den
Schmiedeprozess z. B. bei Pleuel oder Kurbelwelle vorgegeben. Dies spiegelt sichauch in der Verfahrensaufteilung der spanenden Bearbeitung kubischer Werkstücke
wider [5, 6].
Schwerpunkt Bohrbearbeitung
Abbildung 4 zeigt die Verfahrensaufteilung
am Beispiel eines Zylinderkopfs. Der Anteil
der Fräsbearbeitung ist im Vergleich zu
Bohr- oder bohrähnlichen Bearbeitungenklein. Dies ist nachvollziehbar, da die Hauptgeometrie des Werkstücks bis auf wenige
Flächen bereits gießtechnisch erzeugt­wurde.
Die gewünschten Bohrungen sind in einem
solchen Werkstück gießtechnisch jedoch
nur mit hohem Aufwand bzw. gar nicht realisierbar. Sie müssen durch Bohroperationen innerhalb der mechanischen Fertigungslinie eingebracht werden, wodurch
deren Anteil an den eingesetzten spanenden Fertigungsverfahren deutlich überwiegt.

412.3 %

0.4 %
44.5 %

BürstenDrehen*)Reiben8.7 %Gewinden
SenkenFräsen10.5 %

Bohren*) Ausspindelprozess

17.4 %
6.2 %Abbildung 4: E ingesetzte Fertigungsverfahren und deren Anteil an der Herstellung eines
Zylinderkopfs (nach [5])Die dargestellte Verfahrensaufteilung ermöglicht auch Rückschlüsse auf die für die
Bearbeitung notwendigen Achsbewegungen. Aufgrund der Bohroperationen­besteht der überwiegende Teil der Bewegungen aus der Positionierung desWerkzeugs zum Werkstück sowie einer
einachsigen Vorschub- und Rückzugbewegung. Da die Werkstücke üblicherweise
keine Freiformflächen besitzen, ist bei den
Fräsbearbeitungen neben einer Positionierung die Bewegung in der Ebene über das
Verfahren zweier Linearachsen ausreichend.

Die überwiegende Anzahl an Form- und Lagetoleranzen am zu fertigenden Werkstück
wird demnach durch die mehrheitlich vorliegenden Bohrbearbeitungen bestimmt.
Neben Durchmessertoleranzen, die primär
durch das Maß des Werkzeugs, z. B. einer
Reibahle, beeinflusst werden, sind in den
Bauteilzeichnungen auch Toleranzangaben
zu Position, Abstand und Bohrtiefe zu finden.

Abbildung 5: H
 EIDENHAIN-Längenmessgerät in einem Horizontalbearbeitungszentrum(Foto: GROB-WERKE GmbH & Co. KG)

Linearachsen bestimmen Maßhaltigkeit
Die Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen wird unter anderem durch die Fähigkeit der Linearachsen einer Bearbeitungsmaschine zur genauen Positionierung
bestimmt (Abbildung 5). Abhängig davon,
welches Werkstück bzw. welcher Zeichnungssatz betrachtet wird, können unterschiedliche Toleranzwerte und Toleranzaufteilungen für die Fertigungsfeatures
gefunden werden.
Abbildung 6 stellt die Aufteilung der Toleranzen (Positions-, Abstands- und Tiefentoleranzen) für ein ausgewähltes Kurbelgehäuse beispielhaft dar. Für das gewählte
Beispiel ist ersichtlich, dass etwas mehrals 30 % der betrachteten Toleranzen≤ ±0,1 mm sind. Auch bei Zylinderköpfen
oder Getriebegehäusen liegen Fertigungsfeatures vor, für die seitens der Konstrukteure Toleranzen ≤ ±0,1 mm gefordert werden. Beispielhaft seien hier Positions- undTiefentoleranzen von Bohrungen im Bereich des Ventiltriebs eines Zylinderkopfes
oder auch die Bohrungsachsabstände derHaupt- und Halslagerachsen am Differentialgehäuse genannt.

60 %
50 %
40 %
30 %
20 %
10 %
0%
T  0.1 mm

0.1 mm  T  0.2 mm

T  0.2 mm

Abbildung 6: Aufteilung der Bereiche für Positions-, Abstands- und Tiefentoleranzen
am Beispiel eines Kurbelgehäuses

Niedrige Toleranzwerte prozesssicher
einhalten
Um den zuvor beschriebenen Wunsch nach
Flexibilitätssteigerung zu realisieren, besteht das Ziel der Produzenten u. a. darin,
Standardmaschinen für die Fertigung einzusetzen. Auf diese Weise müssen sie nicht
für einzelne Fertigungsmaße auf zusätzliche Sondermaschinen zurückgreifen. Dies
wiederum bedeutet: Auch wenn die Toleranzwerte ≤ ±0,1 mm betragen, so sinddiese dennoch prozesssicher durch die in
den Produktionslinien installierten Bearbeitungszentren einzuhalten.

5Kubische Powertrain-Komponenten
Fähigkeitsuntersuchungen liefern Kennwerte zur Maschinen- undProzessfähigkeit
Im Vergleich zu den Anforderungen im
Werkzeug- und Formenbau erscheinen diebeschriebenen Toleranzwerte eher groß. Zu
beachten ist jedoch, dass die Werte fürFahrzeugwerkstücke zunächst einmal den
Zeichnungsangaben seitens des Konstrukteurs entsprechen. Um sicher zu gehen,dass die Maschinen bzw. der realisierte
Fertigungsprozess fähig sind, die geforderten Zeichnungstoleranzen über einenlangen Zeitraum mit definierter Sicherheit
zu den Toleranzgrenzen einzuhalten, führen
die Automobilproduzenten mit den Bearbeitungszentren statistische Fähigkeitsuntersuchungen durch [7].

Fähigkeitsuntersuchungen zu Maschine
und Prozess
Für die Abnahme der Werkzeugmaschinenwerden beispielsweise 50 Werkstücke auf
der Anlage bzw. den einzelnen Maschinen
produziert. Im Anschluss daran wird die
Verteilung der gefertigten Toleranzmaße
mit statistischen Methoden ausgewertet.
Für die Fähigkeitsuntersuchungen werden
sogenannte Fähigkeitskennwerte bzw. Fähigkeitsindizes festgelegt.
Für die Ermittlung der Maschinenfähigkeit
werden die Indizes Cm bzw. Cmk definiert,
für die Erfassung der Prozessfähigkeit die
Indizes Cp bzw. Cpk. Dabei berücksichtigen
die Indizes Cmk und Cpk eine nicht zentrierte Verteilung gemessener Toleranzwerte, erfasst an mehreren Bauteilen.

(±) [mm] 

Die Ermittlung der Maschinenfähigkeit
dient der Kenntnis des kurzzeitigen Streuverhaltens eines gefertigten Toleranzmaßes
durch eine Werkzeugmaschine unter­möglichst konstanten Randbedingungen(≡ Kurzzeituntersuchung). Die Prozessfähigkeit hat das Ziel das langfristige Streuverhalten einer Maschine unter Prozessbedingungen zu ermitteln (≡ Langzeituntersuchung). In [7] können die Gleichungen zur

Berechnung der Indizes, ausgehend vonden gemessenen Toleranzwerten an gefertigten Werkstücken, sowie weiterführendeInformationen gefunden werden.
Gleichung 1 beschreibt zur weiteren Verwendung die Größen Cm und Cp:
Cm,Cp = T / (6 ∙ s)		(Gleichung 1)

T = 	Toleranzbereich nach Zeichnungsmaß
s = Standardabweichung
Der Produzent gibt die Fähigkeitskennwerte für die qualitätsrelevanten Toleranzen
vor. Die gelieferten Fertigungsmaschinen
des Maschinenherstellers müssen diesebei der Abnahme mindestens erreichen.
Bezogen auf den Abnahmeprozess erfolgt
durch die Festlegung der Indizes eine weitere Eingrenzung der in der Werkstückzeichnung angegebenen Toleranzwerte. Abbildung 7 verdeutlicht dies am Beispiel derToleranz T = ±0,1 mm unter Berücksichtigung des Maschinenfähigkeitskennwertes
Cm. Die Automobilproduzenten geben zusätzlich Merkmalsklassen für Toleranzen an,
die kritisch (Cm = 2,00), wichtig (Cm = 1,67)
oder weniger wichtig (Cm = 1,33) bezüglichder Bauteilfunktionalität sind.

0.12
0.1
-25%

-40%

-50%

0.08
0.06
0.04
6·s
0.02
s

0

Toleranz T

6

T-Rest @ Cm=1.33

T-Rest @ Cm=1.67

Abbildung 7: Zusammenhang von Zeichnungstoleranzangabe und Fähigkeitsindex Cm

T-Rest @ Cm=2.00

Ziel: minimale Streuung
Für eine gleichbleibend hohe Werkstückqualität bzw. minimale Ausschussquote besteht das Ziel darin, eine möglichst geringe
Streuung der gefertigten Toleranzmaße unddamit eine geringe Standardabweichung zu
erreichen. Daher kann Gleichung 1 auch
wie folgt interpretiert werden:Cm,gemessen = T / (6 ∙ s) ≥ Cm (Gleichung 2)bzw.
6 ∙ s ≤ T / Cm 			(Gleichung 3)

Cm,gemessen entspricht dem Index, der sichaus der Vermessung eines tolerierten
Maßes z. B. an 50 während der Maschinenabnahme gefertigter Werkstücke und derdarüber berechneten Standardabweichungergibt.

Fähigkeitsuntersuchungen prüfen die
Einhaltung der maximal akzeptierten
Streuung
Aus Gleichung 2 ist ersichtlich, dass deraus den Messungen resultierende Fähigkeitsindex größer wird, je kleiner die­Standardabweichung ist. Dieser aus den
Messungen an realen Werkstücken resultierende Wert (Cm,gemessen) muss wiederum größer oder gleich dem vom Produzenten vorgeschriebene Wert Cm sein.
Wird dies berücksichtigt, so entspricht die
Vorgabe eines Fähigkeitsindizes der Vorgabe der maximal akzeptierten Standardabweichung seitens des Produzenten für ein
toleriertes Maß (Gleichung 3 und Abbildung 7).
Für das in Abbildung 7 dargestellte Beispiel
bedeutet dies bei Cm = 1,67, dass für die
ursprüngliche Toleranz von ±0,1 mm nun
99,73 % aller an verschiedenen Werkstücken gemessenen Werte eines Toleranzmaßes im Bereich von ±0,06 mm liegenmüssen. Somit darf die akzeptierte Standardabweichung nur noch einen Wert vonmaximal ±10 µm aufweisen. Diese Wertezu erreichen, stellt eine deutliche Herausforderung für die verketteten Bearbeitungszentren der Großserienfertigung dar, die es
zu erfüllen gilt.

7

Fehlergrenzen der Bearbeitung
Fehlergrößen im Prozess und ihre Auswirkungen

Auf den vorangegangenen Seiten wurden
die Größenordnungen der Toleranzen an
Werkstücken des Pkw-Antriebsstrangs beschrieben. Es stellt sich nun die Frage, wieviel Prozent der verfügbaren Toleranz eines
Fertigungsfeatures die im Prozess auftretenden Fehlergrößen aufbrauchen.
Ist die Summe der Fehler größer als die zur
Verfügung stehende Toleranz, so ist die
Maschine bzw. der Prozess nicht fähig, die
gewünschte Bearbeitungsaufgabe zu erfüllen. Im Folgenden werden daher die Fehlergrenzen abgeschätzt, die sich an einer
Bearbeitungsmaschine z. B. aufgrund Werkstückspannung oder axialer thermischer
Achsdrift einstellen können. Ziel ist es,
durch einen Vergleich der verfügbaren Toleranz mit den bestehenden Fehlergrenzen
die verbleibende Toleranzreserve abzuschätzen. Diese Reserve dient den­Maschinen bzw. dem Prozess dazu, unvorhersehbare oder schwer kontrollierbare
Fertigungseinflüsse abzufangen.

¹Z (unkompensiert) [µm] Indextoleranz der Werkstückspannung
Die Beladung der Bearbeitungsmaschinen
erfolgt üblicherweise automatisiert durch
spezielle Belade-Einheiten wie beispielsweise einen Portallader. Um ein Werkstück
bearbeiten zu können, muss es in der
Spannvorrichtung der Maschine positioniert
und gespannt werden. Da dies alles ohne

manuelle Eingriffe ausgeführt werdenmuss, erfolgt die Positionierung üblicherweise mittels in die Spannvorrichtungen integrierter Indexstifte. Das bedeutet, dasszwischen den Indexbohrungen jedes Werkstücks und den Indexstiften der einzelnen
Spannvorrichtungen der Fertigungslinie
eine mechanische Schnittstelle mit Passungstoleranz entsteht.

desysteme oder zu Werkstückspannfehlern
und damit einem eventuellen Stillstand derFertigungslinie führen kann. Um dies zu
vermeiden, wird im Folgenden eine Übergangspassung Ø 12 H7/js6 angenommen.
Mit diesen Angaben ergibt sich folgende
maximale Fehlergrenze für die Werkstückindexierung in den Spannvorrichtungen:

Laut Zeichnungsangabe steht für jedes auf
der Fertigungslinie bearbeitete Werkstück
die gleiche Toleranz für die Indexbohrungen
zur Verfügung. Das real gefertigte Maß variiert jedoch von Werkstück zu Werkstück.
Dies gilt auch für die einzelnen Indexstifte
der Spannvorrichtungen. Daher kann nicht
von einer stets gleichen Indexierabweichung ausgegangen werden. Die vorgegebenen maximalen Toleranzbereiche für Indexbohrung und Indexstift sollten allerdings
jeweils eingehalten werden, da es sonst zu
Ausschusswerkstücken kommen würde.
Somit lässt sich eine Fehlergrenze abschätzen.

(Gleichung 4)

Indexbohrung¬ 12 H7 = ¬ 12 +0,018mm
0Indexstift+0,0055¬ 12 js6 = ¬ 12 –0,0055 mm (Gleichung 5)¬ (12,018 – 11,9945) mm≡ ±11,75 µm (radial)		

Für die Erzeugung eng tolerierter Features
werden die Werkstücke vor dem Spannen
zum Teil über entsprechende Schiebezylinder in der Spannvorrichtung in eine definierte Richtung geschoben. Das bedeutet,
das Werkstück wird radial in die Indexstiftegedrückt, sodass ausgehend von der Bohrungsmittenachse nur noch maximal die
halbe Fehlergrenze auftritt (≡ ±5,88 µm).
Da die Verschiebe-Einheiten die Spannvorrichtung jedoch häufig aufwendiger und damit teurer machen, werden diese nicht inallen Bearbeitungsstationen vorgesehen.

Bei den beschriebenen kubischen Pkw-Antriebsstrangkomponenten (Zylinderkopf,
Kurbelgehäuse oder Getriebegehäuse)werden häufig Indexbohrungen von
Ø 12 mm eingebracht. Ein Klemmen desWerkstücks in der Spannvorrichtung ist unerwünscht, da dies zur Überlast der Bela-

0
X

-10

Y
Z

-20
-30
-40
-50
-60
-70
0

1

2

3

4

5

6
Zeit [h] 

10 000 min–1

16 000 min–1

Abbildung 8: Gemessene, unkompensierte Z-Achsdrift aufgrund Arbeitsspindelwärme

8(Gleichung 6)

Toleranzen für den Werkzeugwechsel
Auf der Seite des Werkzeugs ergeben sichbeim Werkzeugwechsel, abhängig von derverwendeten Werkzeugschnittstelle, ebenfalls Ungenauigkeiten. In den aktuellen Bearbeitungszentren der zuvor beschriebenen
Fertigungslinien kommen üblicherweise­Arbeitsspindeln und Werkzeuge mit Hohlschaftkegel-Schnittstelle (HSK) zum Einsatz. In [8] werden die herrschenden
Wiederholgenauigkeiten der HSK-Verbindung mit < 1 µm (axial) und < 3 µm (radial)angegeben (≡ ±0,5 µm axial; ±1,5 µm­radial).
Thermisch bedingte Drift der Spindel­nase
Die im Betrieb auftretende axiale Drift an
der Spindelnase spielt eine Rolle für Bohrungen mit definierten Tiefenmaßen sowie
beim Stirnfräsen, wenn zwei planparallele
Flächen mit definiertem Abstand wie z. B.
bei der Hauben- und Brennraumfläche am
Zylinderkopf erzeugt werden müssen. Im
Betrieb hat insbesondere die Wärme-Entwicklung der Arbeitsspindel einen starken
Einfluss auf das Wachstum der Spindelwelle sowie der Spindelachsstruktur. Üblicherweise werden in den beschriebenen Produktionsmaschinen Motorspindeln
eingesetzt. Die verschiedenen Bearbeitungszustände führen zu wechselnden
Leistungsabgaben und damit zu veränderlichen thermischen Lasten, die aus dem integrierten Spindelantrieb sowie den Spindellagern resultieren. Da die Motorspindelhochintegriert in der Achsstruktur der Maschine eingebracht ist, wird die Wärme u. a.
über das Gehäuse der Motorspindel sowieüber die Montageflächen an die Maschinenachsstruktur weitergeleitet. Die Motorspindel wird daher üblicherweise an ein
Kühlaggregat angeschlossen.

Abbildung 8 stellt die Z-Achsdrift in der Aufwärmphase als Ergebnis durchgeführter
Driftmessungen an einem Bearbeitungszentrum mit Motorspindel dar. Abgebildet
ist die Drift des Tool Center Point relativ
zum Maschinentisch, welche sich aufgrund
der Leerlauf-Spindeldrehzahl von
10 000 min–1 bzw. 16 000 min–1 ergibt. Zusätzliche thermische Lasten und daraus resultierende Drift aufgrund der im Schnittprozess herrschenden Spindelbelastungenbilden die Messungen nicht ab. Abhängig
von der Belastung und Drehzahl der Arbeitsspindel ist jedoch mit deutlich gesteigerten Driftwerten im Vergleich zur Leerlauf-Drehzahl zu rechnen.
Ausgehend von der in Abbildung 8 gezeigten Messkurve bei Belastung mit einer
Leerlauf-Drehzahl von 16 000 min–1 ergibt
sich eine thermische Drift der Spindelnase
relativ zum Maschinentisch in Z-Richtung
von ca. 64 µm. Häufig wird die thermische
Drift u. a. mittels in der Steuerung hinterlegter Kompensationsmodelle weiter reduziert. Eine Reduktion der dargestellten Driftum ca. 80 % ist dadurch zu erwarten. Auf
die abgebildete Messkurve angewendet,
bedeutet dies einen Restwert von 12 µm(≡ ±6 µm).

9Fehlergrenzen der Bearbeitung
Fehlergrößen durch die Positionsermittlung

Die weiteren Betrachtungen machen eine
Unterscheidung bezüglich der Ermittlungdes Lage-Ist-Werts an einer Vorschubachse
bei Einsatz eines Kugelgewindetriebs notwendig. Der Hauptunterschied kommt hierbei durch den Montage-Ort des Achsmesssystems und dessen Einbindung in den
Regelkreis der Vorschubachse zustande.
Abbildung 9 stellt den Aufbau einer Vorschubachse mit Semi-Closed Loop im Vergleich zu einer Achse mit Regelung im­Closed Loop dar.
Semi-Closed Loop und Closed Loop
Semi-Closed Loop bedeutet, dass der Lageregelkreis der Vorschubachse über den
Drehgeber des Vorschubmotors geschlossen wird. Der Drehgeber erfasst hierbei die
Winkellage der Vorschubmotorwelle undnicht die Position des zu positionierenden
Achsschlittens. Die Position des Schlittens
wird durch die Verrechnung der Winkellage
mit der Spindelsteigung des Kugelgewindetriebs ermittelt. Hierbei wird davon ausgegangen, dass der Zusammenhang vonWinkellage, Spindelsteigung und Schlittenposition während des Betriebs derVorschub­achse bzw. Bearbeitungsmaschine ­konstant ist. Verändert sich dieser Zusammenhang z. B. aufgrund thermisch bedingter Dehnung oder durch Verschleiß desKugelgewindetriebs, so ist der berechnete
Positionswert fehlerhaft. Die Regelung undder Drehgeber sind sozusagen blind gegenüber Veränderungen des Antriebsstrangs der Vorschubachse.
Bei Betrieb der Vorschubachse im Closed
Loop wird die Position des Schlittens derVorschubachse mittels Längenmessgerät
erfasst und als Lage-Ist-Wert in den Lageregelkreis der Achse zurückgeführt. Auftretende Abweichungen während des Betriebs wie z. B. die thermische Drift desKugelgewindetriebs werden am Schlitten
erfasst und durch die Achsregelung ausgeregelt.
Systematische und zufällige PositionsabweichungenBei der Positionierung von Vorschubachsen
kommt es zu Positionierungenauigkeiten([9], [10]). Es treten systematische Abweichungen auf, welche bei gleichen Randbedingungen reproduzierbar und damit ausgleichbar sind. Ebenso treten zufällige
Abweichungen (Arbeitsstreubreite) auf, dienicht reproduzierbar sind, jedoch ein weitgehend statistisches Verhalten aufweisen.
Die Auswirkung zufälliger Abweichungenauf die Positionierung einer Maschinenachse wird durch die Positionsstreubreite beschrieben.

Semi-Closed Loop (SCL)
XSoll +

Lageregler

Geschwindigkeits­
regler+–– XIstddt
φClosed Loop (CL)XSoll +– XIstLageregler

Geschwindigkeits­
regler

+
–
d
dt

φ

Abbildung 9: Prinzip des Semi-Closed Loop und des Closed Loop

10

Soll die Maschine beispielsweise eine mit
einer Positionstoleranz behaftete Bohrung
im Werkstück einbringen, so ist u. a. die Positionsstreubreite als nichtreproduzierbarer
Fehlereinfluss zu berücksichtigen. Durchgeführte Messungen zeigen, dass t­ ypische
Größenordnungen für die Positionsstreubreite bei Vorschubachslängen von 500 mm
bis 800 mm einen Wert von ca. 2 µm(≡ ±1 µm) aufweisen, wenn die Achsen
im Semi-Closed Loop betrieben werden.
Die Anbindung eines Längenmessgeräts
am Achsschlitten und die Rückkopplung
der Lage-Ist-Werte in den Lageregelkreis
vermindern die Auswirkungen der Reibung
im Antriebsstrang und in den Linearführungen auf die Positionierung. Messungenzeigen, dass die Positionsstreubreite bei
Verwendung einer Regelung im Closed
Loop typischerweise um 40 % bis 50 %gegenüber dem Semi-Closed Loop reduziert werden kann (≡ ±0,5 µm).
Reduktion der thermisch bedingten Drift
In den Technischen Informationen „Genauigkeit von Vorschubachsen“ und „Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen“ beschriebene Messungen zeigen,dass eine im Semi-Closed Loop betriebene

Abgeschätzte Fehlergrenzen [µm]Semi-Closed Loop
Indexierung Werkstückspannung

Closed Loop

±11,75±5,88 (mit Verschiebeeinheit)

Werkzeugwechsel­ungenauigkeit (HSK) ±0,5 (axial)±1,5 (radial)
Thermische Arbeitsspindelachsdrift(­kompensiert)±6

Positionsstreubreite(500 mm < X  800 mm)

±1

±0,5

Thermische Drift durch
Kugelgewindetrieb-­Erwärmung±20±10 (gekühlter Kugelgewindetrieb)±1

LängenmessabweichungKoordinatenmessgerät±1,5Tabelle 1: Abgeschätzte Fehlergrenzen für Semi-Closed Loop und Closed Loop
Vorschubachse mit Kugelgewindetrieb undeinem Verfahrbereich von 800 mm eine
thermisch bedingte Drift von über 40 µm(≡ ± 20 µm) aufweisen kann ([11], [12]).
Wird die Lösung dieses Problems in derKühlung des Kugelgewindetriebes gesucht,
so kann unter Verwendung eines hochwertigen Kühlaggregats (Temperaturkonstanz≤ 1 K) eine Reduktion der Drift um 50 % erzielt werden. Neben der Integration desKühlaggregats sind dann zusätzliche Leitungen für die Kühlmittelzufuhr und Kühlmittelabfuhr der einzelnen Vorschubachsensowie Drehdurchführungen für die Übertragung des Kühlmediums auf die rotierenden
Kugelgewindetrieb-Spindeln vorzusehen.
Eine deutlich größere Reduktion der thermisch bedingten Drift einer Kugelgewindetrieb-Achse kann durch den Einsatz einer
Closed Loop-Regelung erzielt werden. Die
Drift der Kugelgewindetrieb-Spindel wird
durch das Längenmessgerät erfasst unddurch die Achsregelung ausgeregelt. Die
verbleibende thermische Drift ist nun≤ 2 µm (≡ ±1 µm) [11].
Tabelle 1 fasst die zuvor abgeschätzten
Fehlergrenzen zusammen und stellt diesefür eine Vorschubachse mit Semi-Closed
Loop sowie Closed Loop vergleichend dar.

Um abzuschätzen, welchen Anteil einer zu
fertigenden Toleranz die aufgeführten Fehlergrenzen aufbrauchen, ist die Lage desWerkstücks sowie der tolerierten Fertigungsfeatures im Arbeitsraum zu beachten. So benötigen nur die Fehler einen Teildes verfügbaren Toleranzbudgets, die in
Richtung des zu fertigenden Toleranzmaßes
weisen.

Da die verbleibende Messabweichungdeutlich geringer sein muss als die zu beurteilende Maßtoleranz, werden Koordinatenmessgeräte üblicherweise in klimatisierten
Messräumen betrieben. Weiterhin wird bei
der Fertigung und Montage der Koordinatenmessgeräte auf hohe Präzision geachtet
und es kommen Längenmessgeräte für die
Regelung im Closed Loop zum Einsatz.

Einflüsse der Werkstückprüfung
Die Beurteilung der Maßhaltigkeit der
Werkstücke erfolgt üblicherweise in entsprechenden Messräumen mittels Koordinatenmessgeräten. Ein Koordinatenmessgerät ähnelt in seinem geometrischen
Aufbau einer Bearbeitungsmaschine undunterliegt ebenfalls Fehlereinflüssen, wodurch sich Messabweichungen bei den zu
beurteilenden Werkstückmaßen ergeben.
Die Größe der Messabweichungen wird
beeinflusst durch:• Temperaturschwankungen im Messraum• Geometriefehler des Koordinatenmessgeräts• Tasterfehler• die gewählte Messstategie• Werkstückaufspannfehler und Bedienerfehler• ...

Mittels rechnerischer Kompensationen
wird eine zusätzliche Reduktion verbleibender Abweichungen (z. B. der Tasterbiegung beim Antasten) erzielt. Zur sicheren
Vermessung eines tolerierten Längenmaßes sollte ein Koordinatenmessgerät
eine ca. 10fach geringere Längenmessabweichung als die zu beurteilende Toleranz
aufweisen. Für eine in der Werkstückzeichnung beschriebene Toleranz von ±0,1 mm
bedeutet dies ±10 µm oder besser. Um jedoch auch kleinere Toleranzen sicher zu prüfen und universell verwendbare Messmaschinen z. B. in einem Zentralmessraum
bereitstellen zu können, werden in der Praxis Koordinatenmessgeräte eingesetzt, die
Längenmessabweichungen im Bereich von±1,5 µm aufweisen.

11

Werkstücktoleranz vs. Fehlergrenzen
Closed Loop steigert Toleranzreserve

Die Gegenüberstellung der auf den Vorseiten geforderten Werkstücktoleranz und derabgeschätzten Fehlergrenzen erfolgt nachstehend anhand einer Beispielgeometrie.
Abbildung 10 stellt dazu schematisch die
Bohrungen für die Lagerung einer Welle ineinem Getriebegehäuse dar.

Zu berücksichtigende Fehler
Der Fehler, der sich aufgrund der Indexierung des Werkstücks in der Spannvorrichtung ergeben kann, ist somit für die Erzeugung von Z1 und Z2 zu berücksichtigen.
Da in der Maschine dieser Bearbeitungs­
operation weitere Werkzeuge an anderen
Bearbeitungsstellen des Werkstücks zum
Einsatz kommen, sind die Werkzeugwechsel-Ungenauigkeiten in das Fehlerbudget
einzurechnen. Weiterhin sind in Richtung
der Maße Z1 und Z2 auftretende Fehler aufgrund der thermischen ArbeitsspindelAchsdrift, der Positionsstreubreite bei der
Positionierung der Z-Achse in Bearbeitungsrichtung sowie der thermischen Drift in
Z‑Achsrichtung durch die Erwärmung desKugelgewindetriebs zu beachten. Die Längenmessabweichungen des Koordinatenmessgeräts gehen unabhängig von der
Aufspannrichtung des Werkstücks in der
Bearbeitungsmaschine in die Fehlerbudgetbetrachtung ein.

12

  

Z2  

 

Z1  

Y  

Um Nebenzeiten und damit die Taktzeit zu
reduzieren, können die beiden Bohrungsdurchmesser mittels eines kombinierten
Werkzeugs gefertigt werden. Die Schneiden zur Erzeugung der Durchmesser- und
Z-Maße werden hierzu auf einem Werkzeug eingebracht. Eine der benötigten Indexbohrungen für die Ausrichtung desWerkstücks ist ebenfalls dargestellt. Die Toleranzrichtung der Indexbohrung weist indie gleiche Richtung wie die tolerierten Fertigungsmaße Z1 und Z2. Für das Maß Y trifft
dies nicht zu.

Bearbeitungsrichung  
Indexbohrung

Abbildung 10: Lagerbohrungen im Getriebegehäuse (Beispielgeometrie)
Unter der Annahme, dass die tolerierten
Fertigungsmaße mit einem mittleren Maschinenfähigkeitsindex von Cm = 1,67 behaftet sind, lässt sich nun gegenüberstellen, wie groß der Verbrauch derverfügbaren Toleranz durch die abgeschätzten Fehler im ungünstigsten Fall ist. Abbildung 11 zeigt dies für die Toleranzen der
Maße Z1 und Z2 zunächst am Beispiel derRegelung im Semi-Closed Loop.

Weniger Fehler, mehr Toleranzreserve
Es wird deutlich, dass die Reduzierung derFehlergrößen direkt zu einer Steigerung derToleranzreserve führen. Der Einsatz von
Längenmessgeräten an den Linearachsen,
d. h. ein Betrieb im Closed Loop, kann insbesondere die thermisch bedingte Kugelgewindetrieb-Drift reduzieren (Abbildung
12). Daraus resultiert eine deutlich gesteigerte Toleranzreserve von ±39 µm.

Zu erkennen ist, dass der größte Verbraucher der verfügbaren Toleranz die unkontrollierte thermische Drift der Kugelgewindetrieb-Spindel ist. Der am Ende der
Aufschlüsselung verbleibende Rest der verfügbaren Toleranz (Toleranzreserve) beträgt
lediglich ±19 µm.

Wie zuvor beschrieben, ergeben sich in derGroßserienfertigung Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Fertigungsschritten
der Prozesskette. Die in Tabelle 1 aufgeführten Fehlergrenzen entsprechen lediglich einem Teil der potentiellen Fehlergrößen, die sich über die gesamte
Fertigungskette eines Bauteils ergeben
können. Daher besteht das Ziel darin, innerhalb einer einzelnen Bearbeitungsmaschine minimale Fehlergrößen zu erreichen, um für schwer beeinflussbare Fehler
innerhalb des Prozesses eine maximale Toleranzreserve zu schaffen.

(±) [mm] Abbildung 11:­Verfügbare Toleranz(±0,1 mm) bei
Cm = 1,67 vs. Fehlergrenzen bei SemiClosed Loop

0.07
0.06
~ ±19 µm

0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
0
T=0.1 @ Cm=1.67

Strukturabweichungen

Thermische Drift Position

Koordinatenmessgerät& Toleranzreserve

Werkstückspannung

thermische Drift Position

Werkzeugspannung

Koordinatenmessgerät LängenmessabweichungPositionsstreubreite

Toleranzreserve(±) [mm] thermische Drift Arbeitsspindel

Abbildung 12:­Verfügbare Toleranz(±0,1 mm) bei
Cm = 1,67 vs. Fehlergrenzen bei Closed
Loop

0.07
0.06
0.05
~ ±39 µm

0.04
0.03
0.02
0.01
0
T=0.1 @ Cm=1.67

Strukturabweichungen

Thermische Drift Position

Koordinatenmessgerät& Toleranzreserve

Werkstückspannung

thermische Drift Position

Werkzeugspannung

Koordinatenmessgerät LängenmessabweichungPositionsstreubreite

Toleranzreserve

thermische Drift Arbeitsspindel

Schwer kontrollierbare Einflüsse innerhalb
der Fertigungskette können sein:• Schwankungen der Hallentemperatur• Schwankungen der KühlschmierstoffTemperatur• Schwankungen der Werkstücktemperatur und damit die thermisch bedingte
Ausdehnung des Werkstücks während
des Transports zwischen den Maschinen• statische Verformungen am Werkstück
aufgrund variierender Spannkräfte und
Spanntoleranzen der einzelnen Spannvorrichtungen der Fertigungslinie• thermischer Verzug von Toleranzmaßen
aufgrund unterschiedlicher Temperaturen

des Werkstücks in den einzelnen Maschinen (Fertigung der Toleranzmaße) und im
Messraum (Beurteilung der Toleranzmaße)• Werkzeugabdrängung aufgrund ungenauer Vorbearbeitung (z. B. Abdrängung
einer Reibahle aufgrund von Toleranzschwankungen der Vorbohrung)• Späne (z. B. Spanklemmer, Späne in der
Vorbohrung etc.)• Werkzeugverschleiß (z. B. veränderliche
Schnittkräfte, Werkzeugabdrängung etc.)• …

Diese Aufzählung erhebt keinen Anspruch
auf Vollständigkeit. Sie zeigt jedoch deutlich, dass die Auslegung eines Fertigungsprozesses für die automatisierte mechanische Bearbeitung von Antriebsstrangkomponenten für Fahrzeuge nicht trivial ist.
Es bestehen viele mögliche Fehlerquellen,
die einen Einfluss auf die Fertigungsqualität, die Fertigungszeit und die Fertigungskosten besitzen.

13

Werkstücktoleranz vs. Fehlergrenzen
Toleranzreserve erhöht Produktivität

Um ein Gefühl dafür zu erhalten, was eine
Toleranzreserve von ±19 µm im Semi-­
Closed Loop bzw. ±39 µm im Closed Loopbedeutet, wird im Folgenden die Größenordnung des Werkzeugverschleißes betrachtet. Während bei Aluminiumwerkstücken trotz schnittscharf erscheinender
Schneidkante häufig die Gratbildung am
Werkstück zum Werkzeugwechsel führt,tritt insbesondere bei der Bearbeitung vonWerkstücken aus Grauguss (z. B. Kurbelgehäuse) oder hochwarmfestem Stahlguss(z. B. Abgasturbolader) erhöhter Werkzeugverschleiß auf. Dieser bildet sich üblicherweise als über der Zeit ansteigende­Verschleißmarkenbreite (VB) aus (Abbildung 13).

lichen Anteil am Gesamtanlageninvest.
Dies beinhaltet sowohl die nichtverschleißenden Werkzeugkomponenten (Werkzeughalter, Bohrstangen etc.) sowie dieverschleißenden Anteile (Schneidplatten,
Bohrer etc.). Der Anteil ist u. a. abhängig
von der Anzahl der eingesetzten Ersatzwerkzeuge (z. T. bis zu drei Satz) sowie denverwendeten Schneidstoffen (z. B. PKDSchneiden für die Aluminiumbearbeitung).

Werkzeugverschleiß muss zulässig sein
Aufgrund der Schneidengeometrie (Freiwinkel Þ und Spanwinkel γ) ergibt sich bei
Anwachsen der Verschleißmarkenbreite ein
entsprechender Schneidkantenversatz (SV),der unmittelbar die Toleranzreserve reduziert. Der Schneidkantenversatz lässt sichnach [13] in Abhängigkeit von der Verschleißmarkenbreite VB sowie von Þ und γ
wie folgt berechnen:

Für Hartmetallwerkzeuge und die für die­Toleranzerzeugung relevante Schlichtbearbeitung wird in [14] als Richtgröße für die
Verschleißmarkenbreite VB = 200 µm bis
400 µm angegeben. Um eine Größenordnung für den Schneidkantenversatz zu erhalten, werden folgende typische Schneidenwinkel angesetzt: Þ = 5° und γ = 4°.
Unter Verwendung von Gleichung 7 ergibt
sich ein Bereich für den Schneidkantenversatz von 18 µm bis 35 µm.

sv=

VB · tan Þ
1–tan Þ · tan γ(Gleichung 7)

Den aktuellen Stand der Linienauslegung
mittels verketteter Bearbeitungszentren vorausgesetzt, besitzen die Werkzeugkosten
für die mechanische Bearbeitung von Zylinderköpfen, Kurbelgehäusen oder Getriebegehäusen mit 8 % bis 12 % einen erheb-

Spanfläche

Um laufende Werkzeugkosten zu sparen,sollten die Werkzeuge eine möglichst
große Standmenge aufweisen. Ein gewisses Maß an Werkzeugverschleiß mussdaher zulässig sein, bevor ein Werkzeugwechsel oder eine Aufbereitung erfolgt.

Ausgehend von einer schnittscharfen Kante
in der Mitte der Toleranzzone benötigen im
Semi-Closed Loop bereits die anzustrebenden minimalen Werkzeugverschleißwerte den größten Teil der verbleibenden
Toleranzreserve. Mit Blick auf die größeren
Toleranzreserven bei Verwendung von Län-

genmessgeräten können mehr Werkstücke
bearbeitet werden, bevor eine Korrektur
des Werkzeugverschleißes erfolgen muss.
Dies wiederum bedeutet weniger Prüfaufwände an den Werkstücken, um den richtigen Zeitpunkt der Korrektur oder desWerkzeugwechsels zu erfassen.
Werkzeugwechsel unterbrechen
Produktion
Der Wechsel eines Werkzeugs, durch das
ein kritisches Toleranzmaß zu fertigen ist,
erfordert häufig ein direkt zu prüfendes undfür in Ordnung befundenes Werkstück(i. O.-Teil). Um Ausschussteile zu verhindern, steht die Bearbeitungsmaschine
während der Vermessung dieses ersten,
mit dem neuen Werkzeug gefertigten
Werkstücks. Die Freigabe der Maschine erfolgt erst dann, wenn das gefertigte undvermessene Werkstück einem i. O.-Teil entspricht. Die Wartezeit bis zur Freigabe ist
gleichzusetzen mit Teileverlust, da Fertigungszeit auf der Maschine verloren geht.
Da die Prüf- und Korrekturaufwände reduziert und die Maschinenlaufzeiten gesteigert werden können, trägt eine große Toleranzreserve in der Großserienfertigung zur
Erhöhung der Produktivität bei. In Analogie
zum Autofahren würde dies einer Fahrt innerhalb einer breiten Fahrspur entsprechen, bei der wenig Korrekturaufwand seitens des Fahrzeugführers notwendig ist,
um die Spur zu halten. In verengten Fahrspuren ist ein weit größerer Korrekturaufwand erforderlich.

Schneidkante

Freifläche

Abbildung 13: Verschleißmarkenbreite (VB) und Schneidkantenversatz (SV) – Zeichnungen nach [13] und [14]14Zusammenfassung

Neben der Herausforderung flexibel auf
Nachfrageschwankungen der Absatzmärk­
te für Fahrzeuge reagieren zu können, wird
es zukünftig weiter steigende Anforderungen bezüglich des Schadstoffausstoßes sowie des Kraftstoffverbrauchs von Fahrzeugen seitens der Gesetzgeber und
Endkunden geben. Ein Ansatz dem zu begegnen, besteht darin, die Reibung im Antriebsstrang zu reduzieren. Dies wiederum
macht Werkstücktoleranzen sowie Oberflächen-Kennwerte höherer Qualität notwendig.
Durch die in der automatisierten Großserienfertigung vorliegende sequentielle Werkstückbearbeitung bestehen Abhängigkeiten
zwischen den einzelnen Fertigungsschritten der Prozesskette. Für die sichere Einhaltung der Werkstücktoleranzen im Gesamtprozess besteht das Ziel darin, einenmöglichst geringen Anteil der verfügbaren
Toleranzen durch die einzelnen Bearbeitungsmaschinen zu verbrauchen. Die verbleibende Toleranzreserve steht für schwer
kontrollierbare Prozesseinflüsse zur Verfügung und sollte demnach möglichst großsein.
Der Einsatz von Längenmessgeräten inden Vorschubachsen der Bearbeitungszentren trägt zur Steigerung der Maschinengenauigkeit und daraus resultierend der­Toleranzreserve bei. Prüfaufwände sowie
Teileverluste können reduziert werden, wodurch die Produktivität steigt.

Literatur[1] Kasper, G.: Challenges for Future Powertrain Production – Insights to Global
Manufacturing. 12th Powertrain Manufacturing Conference, Darmstadt, September 26th – 27th, 2013.
[2] Abele, E.; Hueske, B. und Kuhn, S.:
Overall Equipment Flexibility – Entwicklung einer Methodik zur Messung derGesamtanlagenflexibilität für die spanende Fertigung. ZWF 103 Nr. 5, 2008.
[3] Dörr, J.: Powertrain Machine Tool Concepts: Comparison from an Economic
Point of View. 10th Powertrain Machining Conference, Fellbach, November
11th – 12th, 2009.
[4] Abele, E.; Wiegel, F.; Kuske, P. und
Hueske, B.: Kleine Schritte für große
Flexibilität – Eine Methodik zur monetären Beurteilung der Expansionsflexibilität von Fertigungssystemen. wt
Werkstattstechnik online Jahrgang 100,
2010.
[5] Stürenburg, B.: Optimierung der Spanbildung und Minimierung des Späneeintrages in das Werkstück für das
Bohren von Al-Legierungen. Produktionstechnische Berichte aus dem FBK,Band 02/2009.
[6] Abele, E.; Ellermeier, A.; Hohenstein, J.
und Tschannerl, M.: Untersuchungenan langen VHM-Spiralbohrern – Einfluss der Werkzeuglänge auf das dynamische Verhalten von Vollhartmetallspiralbohrern. wt Werkstattstechnik online
Jahrgang 97, 2007.
[7] VDMA 8669 : 1999-01: Fähigkeitsuntersuchungen zur Abnahme spanender
Werkzeugmaschinen. Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V.
(VDMA), 1999.
[8] MAPAL: MAPAL Kompetenz – Spanntechnik. Firmenschrift MAPAL Präzisionswerkzeuge Dr. Kress KG, BestellNr. 10138532 | V2.1.0, 2015.
[9] DIN ISO 230-2 : 2000-05: Prüfregeln
für Werkzeugmaschinen – Teil 2: Bestimmung der Positionierunsicherheit
und der Wiederholpräzision der Positionierung von numerisch gesteuerten
Achsen. DIN Deutsches Institut für
Normung e.V., 2000.

[10] VDI/DGQ 3441: Statistische Prüfung
der Arbeits- und Positionsgenauigkeit
von Werkzeugmaschinen - Grundlagen.
Verein Deutscher Ingenieure / Deutsche Gesellschaft für Qualität, März
1977.
[11] HEIDENHAIN: Technische Information– Genauigkeit von Vorschubachsen.
März 2006.
[12] HEIDENHAIN: Technische Information– Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen. September 2011.
[13] Paucksch, E.; Holsten, S.; Linß, M. und
Tikal, F.: Zerspantechnik – Prozesse,
Werkzeuge, Technologien. Vieweg +Teubner Verlag, 12. Auflage, 2008.
[14] GARANT: GARANT ToolScout – Zerspanungshandbuch. ISBN 3-00-016882-6,
veränderter ND 04/2013.

15

Längenmessgeräte für Werkzeugmaschinen

Für eine hohe Positioniergenauigkeit von
Werkzeugmaschinen sind Längenmessgeräte zur Lage-Rückmeldung unerlässlich.
Sie erfassen den Verfahrweg der Vorschubachse direkt und unmittelbar. Mechanische Übertragungselemente haben somit
keinen Einfluss auf die Positionserfassung– sowohl kinematische als auch thermische
Fehler oder Krafteinflüsse werden vom
Längenmessgerät erfasst und im Lageregelkreis berücksichtigt. Dadurch lässt sicheine Reihe von möglichen Fehlerquellenausschließen:• Positionierfehler aufgrund der Erwärmung der Kugelumlaufspindel• Umkehrfehler• Fehler infolge Verformung der Antriebsmechanik durch Bearbeitungskräfte• kinematische Fehler durch Steigungsfehler der Kugelumlaufspindel

Für Maschinen mit hohen Anforderungen
an die Positioniergenauigkeit und an die
Bearbeitungsgeschwindigkeit sind deshalb Längenmessgeräte unerlässlich.
Die HEIDENHAIN-Längenmessgeräte fürgesteuerte Werkzeugmaschinen sind universell einsetzbar. Sie eignen sich für Maschinen und Anlagen, an denen Vorschubachsen
geregelt verfahren werden – wie z.B. fürFräsmaschinen, Bearbeitungszentren, Bohrwerke, Dreh- und Schleifmaschinen.
Das günstige dynamische Verhalten der
Längenmessgeräte, ihre hohe zulässige
Verfahrgeschwindigkeit und Beschleunigung in Messrichtung prädestinieren sie
sowohl für den Einsatz an hochdynamischen konventionellen Achsen als auch
für Direktantriebe.

LC 485 bis 2040 mm

LC 185 bis 4240 mm

LB 201 bis 28 040 mm

          
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1151304-10 ∙ 2 ∙ 11/2015 ∙ F&W ∙ Printed in Germany

Weitere Informationen:• Katalog Längenmessgeräte fürgesteuerte Werkzeugmaschinen• Technische Information Genauigkeit
von Vorschubachsen• Katalog Messgeräte zur Abnahme undKontrolle von Werkzeugmaschinen